Раздел 3. Производство стали

 

Цель раздела 3:

Ознакомиться с современными технологиями при производстве стали

 

План раздела 3:

3.1. Конвертерное производство стали

3.2. Мартеновское производство стали

3.3. Выплавка стали в электрических печах

3.4. Внепечная обработка стали

3.5. Комплексные технологии внепечной обработки чугуна и стали

 

Цель раздела:

Ознакомиться с современными технологиями при производстве стали при внепечной обработке стали

 

План раздела 3.5:

3.4.1. Технологические основы внепечного рафинирования

3.4.2. Способы внепечной обработки стали

3.4.3. Современные технологии внепечной обработки стали

3.4.4. Комбинированные (комплексные) методы внепечной обработки

 

3.4.1. Технологические основы внепечного рафинирования

 

Ограниченные возможности регулирования физических и физико-химических условий протекания процессов плавки стали в сталеплавильных агрегатах, повышение требований к качеству стали, а также необходимость разработки технологии и производства стали принципиально нового качества привели к созданию новых сталеплавильных процессов, соответствующих современному уровню развития техники.

Одним из элементов таких технологий является внепечная обработка стали. Проведение технологических операций вне плавильного агрегата называ­ют вторичной металлургией (ковшевой металлургией, внеагрегатной обработкой, внепечной обработкой, ковшевым рафи­нированием). Основную цель вторичной металлургии можно сформулировать как осуществление ряда технологических операций быстрее и эффективнее по сравнению с решением аналогичных задач в обычных сталеплавильных агрегатах.

Обеспечивая получение не только высокого, а в ряде случаев нового качества, но и повышение производительности сталеплавильных агрегатов, внепечная обработка стали начала особенно быстро развиваться в 60-70-х годах и стала неотъемлемой частью сталеплавильного производства.

Внепечная обработка стали - промежуточный передел между выплавкой стали и её разливкой - является относительно новым переделом и обязан своим развитием и успехами в первую очередь достижениям физической химии металлургических процессов и гидродинамики.

Внепечная обработка стали позволяет:

-       увеличить производительность основного сталеплавильного агрегата за счет выноса операций раскисления, рафинирования и легирования в агрегат внепечной обработки;

-       повысить качество металла за счет удаления вредных газовых примесей и неметаллических включений;

-       повысить эффективность процессов раскисления и десульфурации;

-       обеспечить более точное соблюдение химического состава металла;

-       получать металл с принципиально новыми свойствами;

-       обеспечить необходимую температуру металла перед разливкой;

-       уменьшить угар дорогих легирующих элементов.

 

Методы внепечной обработки могут быть условно разделены на простые (обработка металла одним способом) и комбини­рованные (обработка металла несколькими способами одно­временно).

К простым методам относятся:

1) обработка ме­талла вакуумом;

2) продувка инертным газом;

3) обработка металла синтетическим шлаком в ковше;

4) введение реаген­тов в глубь металла;

5) продувка порошкообразными мате­риалами.

Основными недостатками перечисленных простых способов обработки металла являются:

1) необходимость перегрева жидкого металла в плавильном агрегате для ком­пенсации снижения температуры металла при обработке в ковше;

 2) ограниченность воздействия на металл (только десульфурация или только дегазация и т.п.).

Наилучшие результаты воздействия на качество металла достигаются при использовании комбинированных способов, когда в одном или нескольких, последовательно расположенных агрегатах, осуществляется ряд операций. Для их осуществления оказы­вается необходимым усложнять конструкцию ковша и исполь­зовать более сложное оборудование.

При решении вопроса о выборе необходимого оборудования определяющим является выбор той или иной технологии обра­ботки металла. Несмотря на многоплановость задач, стоящих при решении проблемы повышения качества металла методами вторичной металлургии, используемые при этом технологи­ческие приемы немногочисленны и по существу сводятся к интенсификации следующих процессов:

1.  Взаимодействия металла с жидким шлаком или твердыми шлакообразующими материалами (интенсивное перемешивание специальной мешалкой, продувкой газом, вдуванием твердых шлакообразующих материалов непосредственно в массу метал­ла, электромагнитное перемешивание и т.п.).

2.Газовыделения (обработка металла вакуумом или про­дувка инертным газом).

3.Взаимодействия с вводимыми в ванну материалами для раскисления и легирования (подбор комплексных раскислителей оптимального состава; введение реагентов в глубь металла в виде порошков, блоков, специальной проволоки; с использованием патронов, выстреливаемых в глубь металла; искусственное   перемешивание   для  улучшения  условий   удаления продуктов раскисления и т.д.; организация тем или иным способом перемешиивания ванны, интенсификация про­цессов массопереноса - обязательное условие эффективности процесса).

Внепечная обработка металла комбинированными методами может производиться:

1) в обычном сталеразливочном ковше с футеровкой из шамота и с вертикальным стопором;

2) в сталеразливочном ковше с футеровкой из основных высоко­огнеупорных материалов и стопором шиберного типа;

3) в сталеразливочном ковше, снабженном крышкой;

4) в стале­разливочном ковше, оборудованном для вдувания газа или газо-порошковой струи снизу, через смонтированные в днище устройства;

5) в агрегате-ковше с крышкой (сводом), через которую опущены электроды, нагревающие металл в процессе его обработки;

6) в агрегате типа конвертера, с продувкой металла кислородом, аргоном, паром;

7) в агрегате типа конвертера, снабженном оборудованием для вакуумирования расплава и т.д.

 

3.4.2. Современные технологии внепечной обработки стали:

 

Обработка металла вакуумом влияет, как известно, на про­текание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза.

Газовая фаза образуется, в частности, при протекании реакции окисления углерода (образование СО), при протека­нии процессов выделения, растворенных в металле водорода и азота, а также процессов испарения примесей цветных ме­таллов.

В стали практически всегда содержится определенное ко­личество углерода. Равновесие реакции [С] + [О] = СОгаз, К = рCO/а[C]а[O] при обработке вакуумом сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя окись углерода.

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.

Обработка металла вакуумом влияет и на содержание в стали водорода и азота. Cодержание водорода в металле определяется при прочих равных усло­виях  давлением  водорода   в  газовой   фазе. При снижении давления над расплавом водород переходит в газ. Водород в жидкой стали отличается большой подвижностью, коэффициент диффузии его достаточно велик и в резуль­тате вакуумирования значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из металла.

Необходимо иметь в виду, что при обработке вакуумом испаряется также и железо и полезные примеси (очень ин­тенсивно, например, испаряется марганец). Однако эти по­тери становятся ощутимыми лишь при очень глубоком вакууме и очень длительной выдержке.

Продувка металла инертными газами в известной мере влияет так же, как обработка вакуумом. При продувке инертными газами массу металла пронизывают тысячи пузырь­ков инертного газа (обычно аргона). Каждый пузырек пред­ставляет собой маленькую "вакуумную камеру", так как пар­циальные давления водорода и азота в таком пузырьке равны нулю. При продувке инертным газом происходит интенсивное перемешивание металла, усреднение его состава; в тех слу­чаях, когда на поверхности металла наведен хороший шлак, перемешивание облегчает протекание процесса ассимиляции таким шлаком неметаллических включений; если этот шлак имеет высокую основность (а также малую окисленность) происходит и десульфурация металла. Когда хотят получить сталь с особо низким содержанием углерода (например, осо­бо качественную нержавеющую сталь), кислород, подаваемый для продувки ванны, разбавляют инертным газом, при этом равновесие реакции О2 + 2[С] = 2СОгаз сдвигается вправо, так как в газовой фазе в составе продуктов реакции, кроме оксидов углерода, будет находиться и инертный газ, и пар­циальное давление рсо уменьшится. Масса пузырьков инерт­ного газа сама облегчает процессы газовыделения, так как эти пузырьки являются готовыми полостями с развитой по­верхностью раздела для образования новой фазы.

Необходимо иметь в виду, что продувка инертным газом сопровождается снижением температуры металла (газ нагре­вается и интенсивно уносит тепло), поэтому ее часто ис­пользуют   для   регулирования   температуры   металла   в   ковше.

Технически операция продувки больших масс металла инерт­ными газами в ковше проще и дешевле, чем обработка ваку­умом, поэтому там, где это возможно, продолжительная по времени продувка инертными газами, проводимая через по­ристые пробки в днище ковша или через полый стопор, заме­няет обработку вакуумом. Во многих случаях продувку ме­талла инертным газом проводят одновременно с обработкой вакуумом, так как вызываемое продувкой энергичное переме­шивание металла ускоряет процессы вакуумирования, делает вакуумирование более эффективным. В качестве инертного газа чаще всего используют аргон. Когда это возможно, при производстве стали простых марок, невысоких температурах, аргон заменяют более дешевыми газами (азотом или даже паром).

Таким образом при продувке металла инертными газами достигают:

1)энергичного перемешивания расплава, облег­чения протекания процессов удаления в шлак нежелательных примесей;

2) усреднения состава металла;

3) уменьшения содержания газов в металле;

4) облегчения условий проте­кания реакции окисления углерода;

5) снижения температуры металла.

Перемешивание металла со специально приготовленным ("синтетическим") шлаком позволяет интенсифицировать пе­реход в шлак тех вредных примесей, которые удаляются в шлаковую фазу: серы, фосфора, кислорода (в виде оксидных неметаллических включений). В тех случаях, когда основная роль в удалении примеси принадлежит шлаковой фазе, ско­рость процесса пропорциональна величине площади межфазной поверхности. Обычно способ обработки стали синтетическим шлаком используют прежде всего для удаления серы, поэтому основой искусственно приготовляемого ("синтетического") шлака является СаО; для снижения температуры плавления в состав шлаковой смеси вводят А12Оэ или другие добавки. Поскольку в таком шлаке практически нет оксидов железа, он является одновременно хорошим раскислителем. Если ставит­ся задача очистки металла от неметаллических включений определенного состава, то соответственно подбирают состав синтетического шлака. Во всех случаях задача заключается, во-первых, в получении шлака нужного состава и, во-вторых, в разработке способа получения максимальной по­верхности контакта шлаковой и металлической фаз.

Продувка металла порошкообразными материалами (или вдувание в металл порошкообразных материалов) также имеет целью обеспечить максимальный контакт вдуваемых твердых реагентов с металлом. Вместе с тем положительная сторона метода состоит в том, что реагент в металл вдувается струей газа-носителя, который сам оказывает определенное воздействие на металл. Газом-носителем может быть и окис­литель (например, кислород или воздух), и восстановитель (например, природный газ), и нейтральный газ (например, аргон). Для удаления фосфора в струе кислорода в металл вдувают твердую смесь, состоящую из извести, железной ру­ды и плавикового шпата, для удаления серы в металл вдува­ют в струе аргона смесь извести и плавикового шпата. Пла­виковый шпат вводится в состав смесей для повышения жидкотекучести шлака. Этим способом можно вдувать в ме­талл (в струе нейтрального или восстановительного газа) такие сильнодействующие реагенты, которые из-за больших энергий взаимодействия и соответствующего пироэффекта обычными способами вводить в металл нельзя (кальций, маг­ний) или из-за их вредного действия на здоровье опасно (свинец, селен, теллур).

 

3.4.3. Современные технологии внепечной обработки стали

 

Схема обработки жидкой стали вакуумом была предложена еще Г.Бессемером. Практическое использование метода внепечного рафинирования для повышения качества металла относится к началу 50-х годов. В СССР работы по исследованию влия­ния понижения давления на процессы газовыделения были на­чаты в конце 30-х годов, а первая промышленная установка обработки металла вакуумом в ковше опробована на Енакиевском металлургическом заводе по инициативе ученых ИМет АН СССР А.Самарина и Л.Новика в 1952-1954 гг. Ковш с ме­таллом опускали в камеру, которую затем плотно закрывали крышкой и из закрытой таким образом камеры откачивали воздух.

В настоящее время в промышленно развитых странах ус­пешно работают сотни установок внепечного вакуумирования различной конструкции. Самым простым спо­собом   является   способ   вакуумирования   в   ковше.

 

3.4.4. Комбинированные (комплексные) методы внепечной обработки

 

По мере совершенствования простых методов внепечной обра­ботки получают развитие комбинированные или комплексные методы.

Это развитие идет по пути или комбинации несколь­ких "простых" методов, или создания новых агрегатов с комплексной обработкой стали (сокращенно АКОС), или прев­ращения "простых" методов в комплексные. Пример решения проблемы по первому пути использован способ, когда необ­ходимо использовать метод вакуумирования, организуют пос­ледовательную   обработку   металла   вначале   на   установке   с вдуванием кальцийсодержащих материалов (раскисление и удаление серы), затем на вакуумной установке (дегазация). В случае необходимости получения низкоуглеродистых сталей (например, коррозионностойких, жаропрочных и др.) широко используют комбинирование вакуумной обработки с аргоно-кислородной продувкой и т.д.

Пример решения по второму пути - создание агрегатов, получивших название ковш-печь или LF (Ladle-Furnace, англ.). Процесс LF проводится в ковше, футерованном основными огнеупорами, накрываемом крышкой, через которую опускают электроды.

Есть вариант установки типа ковш-печь, предусматривающий возможность перемешивания металла арго­ном под слоем синтетического шлака, вдувание порошко­образных реагентов и подогрев расплава одновременно. Агрегаты ковш-печь работают как на переменном, так и на постоянном токе.

Приведенные примеры показывают, что агрегат порцион­ного вакуумирования позволяет проводить операции:

а) дегазации;

б) подогрева (за счет окисления кислородом вводимого алюминия);

в) десульфурации (обработка флюсом);

г) раскисления (ввод раскислителей);

д) легирования (ввод легирующих добавок);

е) науглероживания;

ж) глубокого обезуглероживания.