Раскисление стали углеродом в вакууме

При температурах внепечной обработки стали влияние парциального давления СО в продуктах реакции на соотношение между равновесными концентрациями углерода и кислорода в металле описывает уравнение [C][0]=0,0025 (4.1)

В настоящее время в лабораторных условиях величина остаточного давления при вакуумировании может быть понижена до 0,1 Па, а при вакуумировании на промышленных установках - до 100 - 200 Па. Согласно уравнению (1.1) при этом произведение равновесных концентраций углерода и кислорода при вакуумировании стали в лабораторных экспериментах должно составлять около 2,5*10-⁹, а в промышленных условиях- (2,5 - 5)*10⁶.

Однако, реальные остаточные концентрации углерода и кислорода в стали после вакуумирования на несколько порядков выше теоретических. Это объясняется рядом причин, среди которых чаще других называют следующие:

· при вакуумировании стали давление над поверхностью расплава не может быть ниже давления насыщенного пара железа при температуре обработки;

· в реальных условиях на поверхности металла всегда имеется некоторое количество шлака, давлением которого нельзя пренебрегать при малой величине остаточного давления над расплавом;

· при малых значениях остаточного давления над поверхностью металла нельзя пренебрегать влиянием капиллярного давления на величину парциального давления СО в поднимающихся в расплаве пузырях;

· при исключительно малых концентрациях взаимодействующих веществ скорости химических реакций быстро уменьшаются, что не позволяет достичь состояния термодинамического равновесия за время обработки.

Обычно в лабораторных условиях произведение остаточных концентраций углерода и кислорода в стали после вакуумирования не удается получить менее 10-⁵, а при обработке на промышленных установках - менее (3 - 4)*10-⁴.

Анализ результатов промышленных исследований показывает, что соотношения между остаточными концентрациями углерода и кислорода в стали после вакуумирования чаще всего близки к расчетным значениям, полученным с использованием парциального давления СО равного 10 кПа. При содержании углерода в стали 0,2% и выше это позволяет после вакуумирования понижать концентрацию растворенного в металле кислорода до 0,002-0,004%. Такое содержание кислорода значительно меньше равновесного с кремнием при обычной концентрации его в стали.

В ряде случаев высокая раскислительная способность углерода в вакууме не может быть реализована в связи с поступлением кислорода из шамотной футеровки ковша, а также из оксидов железа и кремнезема в шлаке. В качестве примера на рисунке 18.3 показаны результаты исследования влияния содержания кремнезема в ковшевом шлаке на окисленность стали после вакуумирования.

Рисунок 15- Влияние концентрации кремнезема в шлаке и футеровки камеры на содержание кислорода в стали после вакуумирования: а - вакуумирование в печи-ковше; б - циркуляционное вакуумирование; 1 - высокоглиноземистая футеровка; 2 - футеровка MgO - C

Чтобы реализовать высокую раскислительную способность углерода в условиях вакуумно-углеродного раскисления рекомендуется:

· отказаться от использования для разливки стали ковшей с шамотной футеровкой;

· при выпуске металла из сталеплавильного агрегата проводить мероприятия, направленные на предотвращение попадания в ковш окисленного печного шлака;

· наводить в ковше новый шлак высокой основности с минимальным содержанием оксидов железа.

Вакуумно-углеродное раскисление является также эффективным способом управления размерами оксидных неметаллических включений.

Наблюдаемые в стали неметаллические включения принято подразделять на экзогенные и эндогенные.

Экзогенные включения или включения внешнего происхождения попадают в металл в результате разрушения огнеупорных материалов или из шлака. Эти включения механически увлекаются потоками жидкой стали во время выпуска и разливки и фиксируются в затвердевшем металле. Их количество обычно не велико и не превышает 5 - 10% общего количества присутствующих в стали неметаллических включений.

Основное количество наблюдаемых в стали неметаллических включений представляет собой эндогенные включения или включения внутреннего происхождения. Они образуются в результате протекания различных физико-химических процессов в самом металле во время его раскисления, кристаллизации и охлаждения в жидком и твердом состоянии. Основное количество эндогенных включений представляет собой продукты взаимодействия кислорода, серы, фосфора, углерода и азота с другими компонентами расплава.

Согласно предложенной В.И. Явойским классификации эндогенных неметаллических включений в зависимости от момента образования их подразделяют на первичные, вторичные, третичные и четвертичные.

Первичные эндогенные включения образуются непосредственно после ввода ферросплавов в жидкий металл, когда резко изменяется химический состав стали и возникают благоприятные условия для протекания химических реакций, которые сопровождаются образованием нерастворимых в железе продуктов взаимодействия и выделением их из расплава в виде неметаллических включений.

Вторичные эндогенные включения образуются во время охлаждения жидкого металла от температуры раскисления до температуры кристаллизации. Возникновение их связано с тем, что все реакции раскисления являются экзотермическими. Поэтому при понижении температуры равновесие реакций смещается в сторону образования дополнительного количества нерастворимых в металле оксидов.

Третичные эндогенные включения образуются в процессе кристаллизации стали. Их выделение обусловлено тем, что при переходе металла из жидкого состояния в твердое резко понижается растворимость в нем кислорода, серы и других примесей, а также продуктов их взаимодействия с компонентами расплава.

Четвертичные эндогенные включения выделяются при охлаждении затвердевшей стали от температуры кристаллизации до комнатных температур. Их выделение связано с уменьшением растворимости примесей в твердом металле при понижении температуры и фазовых превращениях.

В зарубежной научно-технической литературе под первичными часто подразумевают все эндогенные включения, образовавшиеся в жидком металле до начала кристаллизации. При использовании такого определения эти включения соответствуют первичным и вторичным неметаллическим включениям согласно классификации В.И. Явойского.

Наиболее сильное отрицательное воздействие на качество стали оказывает наличие в металле крупных оксидных включений и их скоплений. Имеются экспериментальные доказательства того, что среди эндогенных включений наиболее крупными обычно являются первичные и частично вторичные включения. От момента образования этих включений до начала затвердевания стали проходит длительное время, в течение которого они могут укрупняться путем коагуляции или коалесценции, а также формировать локальные скопления. Остальные включения практически не укрупняются, поэтому они имеют малые размеры и распределены в металле более равномерно, чем первичные.

Избежать образования крупных первичных неметаллических включений можно, если к моменту присадки ферросплавов понизить содержание растворенного в стали кислорода до уровня, который не превышает концентрации его в равновесии с раскислителем при температуре обработки.

При содержании углерода в стали 0,2% и более в результате вакуумно-углеродного раскисления концентрацию кислорода в металле удается понижать до 0,002 - 0,004%. Такая концентрация кислорода ниже равновесной с обычным содержанием кремния в стали. Поэтому при введении кремния в сталь после вакуумно-углеродного раскисления первичные эндогенные включения не образуются. Такой способ обработки получил распространение при производстве стали, свободной от крупных оксидных включений и их локальных скоплений.

5. ВНЕПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

При выплавке IF-стали в кислородном конвертере невозможно обеспечить требуемый химический состав стали. Корректировка химического состава выплавляемого металла производится посредством его внепечной обработки.

Внепечная обработка полученного металла сводится к глубокому обезуглероживанию металла на установке циркуляционного вакуумирования, раскислению металла алюминием на установке усреднительной продувки и микролегированию титаном и ниобием на агрегате «печь-ковш».

Циркуляционное вакуумирование конвертерной стали в ковше позволяет получать металл, содержащий 0,003…0,004% С. Для этого необходимо иметь в металле перед обработкой 0,03…0,06% С, коэффициент циркуляции - 8…11, остаточное разрежение в конце вакуумной обработки менее 1 мм. рт. ст. и обработку металла вакуумом при таком разрежении не менее 10 мин. Обработка производится на циркуляционной установке вакуумирования стали.

Нагрев IF-стали на установке «печь-ковш» сопровождается повышением содержания углерода со скоростью около 0,0001%/мин. Основная причина науглероживания - поступление углерода от графитовых электродов во время электронагрева металла. С целью ограничения поступления углерода следует сократить длительность нагрева металла на установке «печь-ковш» до 10…15 мин, для чего по окончании вакуумной обработки требуется иметь металл с температурой 1600…1610С.

Микролегирование металла титаном и ниобием должно осуществляться после глубокого раскисления алюминием (содержание алюминия в металле не менее 0,055%) путем ввода порошковой проволоки. При этом усвоение титана составляет в среднем 56%, а ниобия - 51%. При микролегировании металла титаном и ниобием путем ввода кусковых материалов имеет место нестабильное усвоение микролегирующих элементов, что существенно осложняет получение заданного их содержания в металле.

Проведенные ранее балансовые расчеты показали, что основным источником поступления кремния в металл является шлак, попавший в сталеразливочный ковш во время выпуска металла из конвертера. Очевидно, что во время микролегирования металлом титаном и ниобием, имеющими большое сродство к кислороду, происходит восстановление кремния из шлака в металл. Степень восстановления можно уменьшить путем снижения активности SiO2 в шлаке, находящемся в ковше. Существует две возможности для решения этой задачи - уменьшить поступление шлака в ковш при сливе металла из конвертера или снизить содержание оксида кремния в конвертерном шлаке к концу плавки. Основным способом снижения активности SiO2 в шлаке, находящемся в сталеразливочном ковше, является уменьшение содержания оксида кремния в конвертерном шлаке. Эта задача может быть решена путем удаления низкоосновного шлака в первой половине периода продувки конвертерной плавки.

Для микролегирования титаном и ниобием на агрегате «печь-ковш» вместо кусковых материалов начали применять порошковую проволоку с феррониобием марки ФНб66, содержащим 66% Nb, и ферротитаном марки ФТи70, содержащим 70,5% Ti. Сначала проводится микролегирование ниобием, а затем титаном.

Расход раскислителей и легирующих для внепечной обработки стали определяется аналогично п. 9 и составляет (на плавку): 0,17 т алюминия; 0,26т ФТи70; 0,28 т ФНб66.

Химический состав стали марки IF после внепечной обработки представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Химический состав полученной стали марки IF

После внепечной обработки производится разливка металла на машинах непрерывного литья заготовок.

Процесс производства IF-стали для оцинкованного автолиста в кислородно-конвертерном цехе должен включать в себя плавку металла в конвертере с предварительным раскислением его ферромарганцем в ковше, глубокое обезуглероживание металла на установке циркуляционного вакуумирования, окончательное раскисление его на агрегате усреднительной продувки и микролегирование титаном и ниобием на установке «печь-ковш».

Рассмотренная технология обеспечивает получение стали марки IF, содержащей не более 0,007% С; 0,02% Si; 0,010% S; 0,012% P; 0,007% N, содержание марганца и алюминия в пределах 0,010…0,018% и 0,030…0,060% соответственно и требуемое содержание титана и ниобия 0,030…0,060%.

ВЫВОД

На современном этапе развития металлургического производства требования к качеству продукции, чистоте отходов и дымовых газов, чистоте металла от вредных примесей и газов и.т.д. растут с каждым днем. И поэтому, чтобы быть конкурентно способными на рынке предприятия должны придерживаться современных требований.

Следование современным стандартам на данном этапе невозможно без качественной сырьевой базы, качественной шихты, современных и модернизированных доменных и сталеплавильных агрегатов, современных агрегатов внепечного рафинирования чугуна и стали, современных машин разливки, а так же прокатных цехов. На примере комбинатов Украины мы видим, что большой урон качеству наносится из-за морально и физически устаревшего оборудования цехов, отсутствия на многих комбинатах установок внепечного рафинирования, а так же из-за низкого качества шихты. Повышенного внимания требуют практически все узлы металлургического цикла.

Современные установки внепечного рафинирования в составе вакууматоров и АКП позволяют предприятиям расширить свой сортамент (например с помощью VD-OB/RH-OB (способные работать так же в режиме вакуумно - углеродного раскисления VCD) получить стали с ультра низким содержанием углерода) и улучшить существующий по НВ и растворенным в металлах газам, а так же другим вредным примесям.

Конкурентно способной продукции и ее качество - главная цель каждого металлургического предприятия.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Кудрин В.А. Металлургия стали. М.: Металлургия,1983. 582 с.

2. Кудрин В.А. Металлургия стали. М.: Металлургия,1989. 560 с.

3. Технология производства стали в современных конвертерных цехах/С.В. Колпаков, Р.В. Старов, В.В. Смоктий и др.; Под общей ред. С.В. Колпакова. - М.: Машиностроение, 1991. - 464 с.:ил.

4. Внепечные способы улучшения качества стали. Чуйко Н.М., Перевязко А.Т., Даничек Р.Е., Иванов В.Г., Козак В. В. Киев, «Техника», 1978. 128 с.

5. Основы отраслевых технологий и организации производства: Учебник/ Ю.М. Аносов, Л.Л. Бекренев, В.Д. Дурнев, Г.Н. Зайцев, В.А. Салтыков, и др..: Политехника, 2002.-312 с.:ил.

Размещено на Allbest.ru