ВВЕДЕНИЕ РЕАГЕНТОВ В ГЛУБЬ МЕТАЛЛА

19.6.1. Продувка металла порошкооб­разными материалами.Продувка ме­талла порошкообразными материала­ми (или вдувание в металл порошко­образных материалов) проводится для обеспечения максимального контакта вдуваемых твердых реагентов с метал­лом, максимальной скорости взаимо­действия реагентов с металлом и вы­сокой степени использования вдувае­мых реагентов. Достоинством этого метода является также то, что реагент в металл вдувается струей газа-носите­ля, который оказывает определенное воздействие на металл. Газом-носите­лем может быть: 1) окислитель (на­пример, кислород или воздух); 2) вос­становитель (например, природный газ); 3) нейтральный газ (азот, аргон). В качестве вдуваемых реагентов ис­пользуют шлаковые смеси, а также металлы или сплавы металлов. Целью вдувания порошков является:

1.Дефосфорация металла. При ис­пользовании шлаковых смесей для удаления фосфора в металл обычно вдувается в струе кислорода смесь, со­стоящая из извести, железной руды и плавикового шпата.

2. Десульфурация. Для удаления серы в металл вводятся (в струе аргона или азота) флюсы на основе извести и плавикового шпата; смеси, содержа­щие кроме шлакообразующих также кальций или магний; реагенты, кото­рые вследствие высоких энергий взаи­модействия и соответствующего пиро-эффекта обычными способами вво­дить в металл нельзя (кальций, маг­ний).

3. Раскисление и легирование, в том числе для введения металлов, которые вследствие вредного действия на здо­ровье человека обычными методами вводить опасно (свинец, селен, тел­лур).

4. Ускорение шлакообразования, на­пример в конвертерных цехах вдува­ние порошкообразной извести ис­пользуется при переделе высокофос­фористых чугунов.

5. Науглероживание. Вдуванием в металл порошкообразных карбонизаторов (графита, кокса и т. п.) обеспе­чивается решение разных задач, в час­тности: корректировка содержания уг­лерода в металле; при недостатке или отсутствии чугуна можно повысить в металле содержание углерода до пре­делов, необходимых для нормального ведения процесса; раскисление метал­ла (вдувание в окисленный металл по­рошка углерода вызывает бурное раз­витие реакции обезуглероживания; содержание кислорода при этом уменьшается, а выделяющиеся пузыри СО промывают ванну от газов и неме­таллических включений). Порошок графита или кокса можно вводить в металл непосредственно в печи, а так­же в ковш или на струю металла, вы­пускаемого из печи в ковш.

Существуют и другие цели исполь­зования метода вдувания. Наибольшее распространение получила практика использования метода для введения в сталь такого реагента, как кальций.

19.6.2. Вдувание калыщйсодержа-щих материалов.Кальций обладает вы­соким химическим сродством к кисло­роду, поэтому введение его в металл обеспечивает высокую степень рас­кисления металла; кроме того, каль­ций обладает высоким химическим сродством к сере, поэтому введение его в металл обеспечивает высокую степень десульфурации металла. Од­ним из наиболее распространенных раскислителей является алюминий; при его использовании в металле об­разуются тугоплавкие включения гли­нозема, ухудшающие чистоту металла, снижающие механические свойства изделий из него, а также затрудняю­щие разливку вследствие зарастания разливочных стаканов. Оксид СаО, образующийся при введении кальция, взаимодействуя с частицами А1₂О₃, способствует образованию менее ту­гоплавких неметаллических включе­ний (рис. 19.26). Те из них, которые остаются в металле, имеют очень ма­лые размеры и сферическую форму; они не деформируются в процессе об­работки давлением, не вытягиваются в цепочки остроугольных кластеров, что характерно для включений глинозема, и в малой степени ухудшают свойства металла. Раскисленная алюминием сталь после введения кальция практи­чески не содержит пластичных сили­катов.

Кальций уменьшает также вредное влияние оставшейся в металле серы, так как механические свойства суль­фида кальция CaS существенно выше свойств сульфида марганца MnS; в ре­зультате сульфиды также приобретают более округлую форму при значитель­но меньшей длине (вдоль направления пластической деформации). Кальций оказывает положительное влияние как реагент, существенным образом влия­ющий на скорость удаления включе­ний, поскольку присутствие кальция

Рис. 19.26.Диаграмма состояния СаО-А1₂О₃ (С— СаО, А—А1₂О₃, I —жидкость)

способствует переводу включений глинозема в жидкие алюминаты каль­ция, что, в свою очередь, способствует ускорению удаления включений из металла. Сталь, подвергнутая обработ­ке кальцием, характеризуется суще­ственно более высокой обрабатывае­мостью, что способствует повышению производительности металлообраба­тывающих станков благодаря возмож­ности работы на повышенных скорос­тях резания. Стали, обработанные кальцием, имеют лучшие показатели анизотропии свойств. При использо­вании добавок кальция значительно улучшаются показатели механических свойств стали и снижается сегрегация в крупных слитках для поковок и др.

Растворимость кальция в металле невелика — в чистом железе она со­ставляет -0,032 %. Такие обычно встречающиеся в стали примеси, как углерод, кремний, алюминий, никель, повышают растворимость кальция. Наибольшее влияние оказывает угле­род: каждый 1 % углерода повышает растворимость кальция почти вдвое.

Процесс введения кальция в сталь характеризуется рядом особенностей: пироэффектом, малой степенью усво­ения и соответственно повышенной стоимостью обработки и т. д. Учиты­вая это, распространение получили два приема работы: 1) добавка кальция в составе различных сплавов, смесей, соединений («разубоживание» мате­риала); 2) введение кальция (в виде этих смесей и соединений) не на по­верхность, а в глубь металла («инъек­ция» или «инжекция»). Само появле­ние термина «инъекционная» (или «инжекционная») металлургия связа­но с разработкой способов введения в глубь металла именно кальция. Осу­ществлялось введение кальция прежде всего методом его вдувания в порош­кообразном состоянии. Термин «инъ­екционная», или «инжекционная», металлургия введен шведскими метал­лургами, разработавшими одну из раз­новидностей способа с использования фурм 1-образного вида (рис. 19.27, а): способ Ijили I(от англ, injection — ин­жекция).

В настоящее время для введения в глубь металла широко используют в порошкообразном виде различные

Рис. 19.27.Фурма (а) для вдувания кальций-содержащих материалов в металл (1 — высо­коглиноземистый огнеупор; 2 — стальная трубка). Общий вид устройства б— см. на цветной вклейке

шлаковые смеси, а также магний, ба­рий, РЗМ; способы ввода реагентов в глубь металла разнообразны, поэтому под терминами «вдувание порошков», «инжекционная металлургия» подра­зумевается большое число самых раз­нообразных технологий. Например, этим способом обрабатывают конвер­терную сталь, предназначенную для изготовления газопроводных труб, эк­сплуатируемых в тяжелых условиях Севера. Метод широко распространен за рубежом (под разными названия­ми); например, в Германии данный способ известен как TN '-процесс. В США, Канаде и некоторых других странах этот метод получил название CAB ²-процесс. Метод используют, в частности, при производстве стали, применяемой для изготовления листа для сварных тяжело нагруженных кон­струкций. Жидкую сталь выпускают в ковш, который затем закрывают крышкой, и через нее вводят фурму для вдувания кальция в струе аргона (рис. 19.28). Кальций испаряется и, поднимаясь вместе с пузырями арго­на, связывает серу в сульфид CaS, ко­торый ассимилируется шлаком. Боль­шое значение при этом имеет состав футеровки ковша (рис. 19.29). Введе­нием ЩЗМ в расплав в ковше с основ­ной футеровкой достигается получе­ние очень низкой активности кисло рода в стали и создаются благоприят­ные условия для удаления серы до значений -0,002 %. Содержание кис­лорода составляет 0,0006-0,0008 %.

¹ По названию предприятия «Thyssen Niederrhein AG» (Германия).

² От англ, calcium-argon-blowing— кальций-аргон-продувка.

Метод вдувания в металл в ковше порошков может использоваться также для получения стали с регламентиро­ванным содержанием азота и для леги­рования кремнием, никелем, молиб­деном, вольфрамом, свинцом и др. Для получения низкосернистой азотсодер­жащей стали могут использоваться смеси, содержащие цианамид кальция CaCN₂. В этом случае несущим газом является азот. При вдувании смеси кроме насыщения металла азотом од­новременно протекают процессы науг­лероживания, раскисления и десуль-фурации. Условия перехода азота в ме­талл из несущего газа улучшаются при снижении в стали содержания кисло­рода и серы; и кислород, и сера являют­ся поверхностно-активными элемента­ми и препятствуют переходу азота в ме­талл. В случае вдувания в ковш в струе азота порошка СаО с 10 % Mg по мере удаления из металла серы и кис­лорода содержание азота возрастает (рис. 19.30), что особенно заметно на заключительной стадии продувки, ког­да содержание серы снижается до 0,02 %, а кислорода - до < 0,005 %. Со­став попадающего из печи в ковш шла­ка в значительной степени влияет на протекание реакции десульфурации в ковше (рис. 19.31) и низкие концентра­ции серы. Снижение температуры ме­талла при продувке его в ковше порош­ками по полученным на практике дан­ным составляет 2—3 °С /мин.

19.6.3. Организация подачи порош­ков. Обычно порошкообразные реа­генты вводят в металл через фурму сверху. Существуют и другие спосо­бы введения порошков: 1) через ста­кан-отверстие в шиберном затворе; 2) в подводящий патрубок (или в ка­меру над подводящим патрубком) ус­тановки вакуумирования. В этом слу­чае дегазация металла вследствие ва­куумирования осуществляется одно­временно с десульфурацией под воздействием вдуваемых реагентов (например, смеси Са + CaF₂)³.

³ За рубежом метод часто обозначают VI или VIj (от англ. Vacuum-Injection).

Рис. 19.28.Современная установка для вдувания в металл кальцийсодержащих материалов:

/ — ковш, накрытый крышкой; 2—фурма; 3 — карусельная установка с запасными фурмами; 4— питатель; 5_ бункера с материалами для вдувания; 6— пылеулавливающая установка; 7— устройства для подачи газо­порошковой смеси от питателя к фурме

Роль футеровки ковша и шлака в ковше. При вдувании порошкообраз­ных материалов в ковш десульфурация происходит как на границе металла со шлаком, так и на поверхности всплы­вающих частиц вдуваемого материала. На рис. 19.29 отражена роль футеров­ки в процессе обработки такими силь­ными реагентами, как кальций. При взаимодействии растворенного в ме­талле кальция с входящими в состав шамотной футеровки оксидами (А1₂Оз

Рис. 19.29.Влияние футеровки ковша на десульфурацию при вдувании в металл кальция:

/ — футеровка из доло­мита; 2— футеровка из шамота

Рис. 19.30.Изменение содержания серы, кислорода и азота в металле во время продув­ки металла в ковше смесью СаО + 10 % Mg в струе азота

307

Рис. 19.31. Влияние состава шлака в ковше

после продувки порошками на степень де-

сульфурации

и особенно SiO₂) протекают реакции типа SiO₂(фут) + 2 [Са] = 2 (СаО) + [Si]. При воздействии на металл такими сильными реагентами, как ЩЗМ или РЗМ, кислая или полукислая футеров­ка ковша может играть роль окисли­тельной фазы и образующиеся оксид­ные включения остаются в металле, загрязняя его. Кроме того, составляю­щие кислой футеровки ковша, частич­но переходя в шлак, снижают его ос­новность. На рис. 19.32 показана обобщенная схема изменения содер­жания кислорода и серы в процессе обработки кальцием в ковшах с раз­ной футеровкой. Практика показала, что во всех случаях окисленность ме­талла существенно влияет на процесс его десульфурации. Особо низкое со­держание серы (< 0,005 %) может быть получено лишь в том случае, когда ак­тивность кислорода в металле сниже­на до 0,001.

Применяемые материалы и их рас­ход. Наряду с такими кальцийсодер-жащими соединениями, как силико-кальций и карбид кальция, для про­дувки порошками применяют и дру­гие материалы и смеси, в частности магний в смеси с известью или плави­ковым шпатом, смесь извести с плавиковым шпатом, а также синтетические жидкие или твердые шлаковые смеси на основе извести, глинозема и плави­кового шпата. В зависимости от соста­ва стали и применяемого метода обра­ботки расход смесей колеблется в пре­делах от 1 до 5 кг/т стали. Чаще других в качестве реагента используют силикокальций (рис. 19.33).

При вдувании СаС₂ и CaSi эффект раскисления и степень чистоты стали примерно одинаковы. Приходится, однако, учитывать, что при использо­вании силикокальция в сталь неиз­бежно попадает кремний, при исполь­зовании карбида кальция — углерод. В связи с этим СаС₂ предпочитают ис­пользовать для обработки стали, со­держащей > 0,2 % С. Для обработки низкоуглеродистых сталей обычно ис­пользуют более дорогостоящий сили-кокальций. В случаях, когда произво­дят стали со строго контролируемым содержанием и углерода, и кремния (например, стали для нужд авиации и космонавтики), используют еще более дорогостоящий чистый кальций, на­пример в виде плакированной кальци-

Рис. 19.32. Изменение содержания кислорода и серы в стали в процессе ее обработки в ков­ше продувкой кальцием:

/—выпуск и раскисление алюминием; Я—транс­портировка ковша к месту обработки; Iff— обра­ботка кальцием; IV— разливка: а — кислая футеров­ка ковша; б—основная футеровка ковша; [О^щ — общее содержание кислорода в стали; [О]^^,, — со­держание растворенного кислорода

Рис. 19.33. Влияние серы в штрипсовой ста­ли типа 09Г2ФБ на протяженность сульфи­дов с обработкой (1) и без обработки (2) си-ликокальцием (данные для МК «Азовсталь»)

ем проволоки. Расход магния ограни­чивается высокой турбулентностью движения металла при введении маг­ния в ковш; при использовании смеси Mg + Са увеличивается общий расход вдуваемых материалов, но получают металл высокой чистоты. По данным исследований, для достижения почти полной изотропности стали необходи­мо достижение концентрации серы < 0,004 %; для получения сульфидов абсолютно глобулярной формы и раз­мером 1 балл требуется содержание серы в стали < 0,003 %. Многочислен­ные исследования показали, что по­вышение степени десульфурации на­блюдается обычно до расхода кальция 1,5 кг/т. Дальнейшее повышение рас­хода кальция не приводит к пропор­циональному росту степени десульфу­рации; она определяется уже другими факторами.

В современном производстве боль­шинство сталей раскисляют алюмини­ем. При определении количества алю­миния в подаче расчет ведут обычно таким образом, чтобы в жидкой стали присутствовало остаточное его коли­чество. Алюминий не только удобен (технологичен), но и служит действен­ным модификатором структуры, обес­печивающим получение более плот­ной стали с заданным мелким зерном и хорошими показателями пластично­сти и вязкости. Вместе с тем А1₂О₃ при общей относительно высокой чистоте стали вызывает резкое ухудшение жидкотекучести, затягивание каналов разливочных стаканов. Кристалличес­кие остроугольные включения А1₂Оз как концентраторы напряжений и очаги разрушения металла особенно опасны в условиях охрупчивания ста­ли при низких температурах и боль­ших мгновенных нагрузках. Отрица­тельное влияние А1₂Оз проявляется и на свойствах жидкого и твердого ме­талла; этим объясняется запрет на его применение для раскисления некото­рых марок сталей ответственного на­значения, например железнодорожно­го сортамента, хотя при этом возника­ют проблемы обеспечения качества металлопродукции. В данном случае используют обработку стали, раскис­ленной алюминием, кальцийсодержащими реагентами; тем самым устраня­ется негативное действие алюминия.

На рис. 19.34 представлена услов­ная схема образования неметалличес­ких включений при различном соот­ношении Са / А1.

При соотношении Са / А1 в пределах 0,07—0,10 преобладают включения

СаО ∙ бА1₂О₃, которые при темпера­турах сталеварения находятся в твер­дом виде и осаждаются на стенках разливочного стакана. При отноше­нии Са/А1 >0,10 преобладающим ти­пом включений являются жидкие включения СаО • 2 А1₂О₃ и сталь хоро­шо разливается. Для обычных содер­жаний алюминия 0,015—0,040 % хоро­шая разливаемость может быть полу­чена при 0,002-0,06 % Са. При разра­ботке технологии в конкретных условиях производства необходимо

Рис. 19.34. Оценка неметаллических включе­ний в зависимости от общих концентраций алюминия, кислорода и кальция (цифры у кривых — содержание кислорода общего, х 10 ^-4%)

учитывать также следующие дополни­тельные факторы: 1) вторичное окис­ление металла, обработанного в ков­ше, существенно снижает эффектив­ность обработки и заметно уменьшает стабильность достигаемых показате­лей качества; 2) получение в процессе обработки очень чистого металла, снижение содержания в металле таких поверхностно-активных примесей, как кислород и сера, приводит при контакте с воздухом (в процессе раз­ливки) к заметному возрастанию со­держания в металле азота. Таким об­разом, при выборе технологии продув­ки приходится учитывать состав обра­батываемой стали, ее окисленность, содержание алюминия, возможности защиты металла от контакта с возду­хом и др. Определенное значение име­ет также продолжительность продувки металла в ковше аргоном после окон­чания подачи вдуваемых смесей. Обычно момент максимального удале­ния из металла включений устанавли­вается экспериментально в каждом конкретном случае.

19.6.4. Введение смесей без вдува­ния.Во многих случаях достаточно удовлетворительные результаты де-сульфурации получают не вдуванием порошков, а более простым мето­дом — введением порошкообразных смесей сверху на струю металла. Так, в конвертерном цехе металлургического комбината «Азовсталь» для снижения содержания серы во время выпуска применили твердую шлакообразую-щую смесь извести и плавикового шпата. Смесь с транспортерной ленты подают в расположенные над конвер­терами расходные бункера, из кото­рых она по системе точек и промежу­точных бункеров поступает в сталеразливочный ковш.

Смеси на основе извести и плавико­вого шпата используют на многих ме­таллургических заводах. Такой метод введения порошкообразных материа­лов по эффективности их использова­ния уступает методу вдувания. Исполь­зование данного метода целесообразно лишь в случае, когда отсутствует обору­дование для введения материалов не­посредственно в глубь металлической ванны или для расплавления и исполь­зования в жидком виде.

Метод «выстреливания». Поскольку работы с высокоактивным порошко­образным кальцием требуют особой осторожности, можно использовать менее опасную технологию, которая заключается в выстреливании в ме­талл, находящийся в ковше, при по­мощи автоматического устройства «пуль», изготовленных из кальцийсо-держащих сплавов. Разработавшая этот способ японская фирма назвала его SCAT '-процессом.

Одновременно с рассмотренным разработан метод введения в металл алюминия выстреливанием, назван­ный методом ABS ².

В случае раскисления алюминием металла в ковшах большой вместимос­ти (200т), когда требуется вводить в ковш значительные количества алю­миния, используют пневматический пулемет, стреляющий пулями длиной 450мм, диаметром 31мм и массой 0,8 кг. Скорострельность его составля­ет 800 пуль/мин. Вопрос о том, какой раскислитель (кальций или алюми­ний) вводить методом выстреливания, решают в каждом конкретном случае в зависимости от состава стали и требо­ваний, предъявляемых к ее качеству. Для реализации методов выстрелива­ния требуется сравнительно сложное оборудование. Более перспективным оказался описанный ниже метод ввода в металл сильных раскислителей или раскисляющих смесей (порошкооб­разных), помещенных в стальную обо­лочку в виде проволоки.

19.6.5. Введение материалов в виде проволоки.Такие материалы, как по­рошкообразный кальций, являются дорогостоящими. Практика показала, что существенная экономия кальция достигается при введении порошка кальция в металл в виде проволоки, состоящей из оболочки (обычно стальной), внутри которой находится спрессованный порошок (рис. 19.35). Оптимальным является вариант введе­ния проволоки через специальное от­верстие в крышке, которой накрыт сталеразливочный ковш. Однако рас пространение получила и более про­стая технология введения проволоки в открытый ковш без крышки. Матери­алы можно вводить в металл как од­ной проволокой, так и двумя одновре­менно. При этом в одной проволоке может находиться порошок силикокальция, а в другой — алюминий. В большинстве случаев кальцийсодер-жащую проволоку вводят в ковши, оборудованные устройствами для про­дувки (и перемешивания) металла снизу через пористое днище (или по­ристые пробки) аргоном, чтобы обес­печить необходимые условия для уда­ления образующихся неметаллических включений.

¹ System of Calcium Adding Technique — спо­соб введения кальция.

² Al-Bullet-Shooting — выстреливание алю­миниевыми пулями.

Рис. 19.35.Устройство для подачи в металл проволоки

Проволоку получают путем непре­рывного введения порошкообразного силикокальция в тонкостенную обо­лочку из низкоуглеродистой стали, которую затем прокатывают до диа­метра 5—18 мм и сматывают (длина проволоки 1250—3300м) на металли­ческие или деревянные катушки (рис. 19.36). Материалом сердцевины проволоки' кроме сплавов кальция могут служить сплавы бария, бора, ти­тана, циркония, теллура, селена. Как показано многими исследователями, эффект применения от обработки жидкой стали проволокой, начинен­ной силикокальцием, проявился в преобразовании твердых скоплений А1₂О₃ в низкоплавкие круглые вклю­чения алюминатов кальция. Примене­ние проволоки способствовало усиле­нию усвоения кальция и улучшению жидкотекучести стали. Проволоку можно вводить не только в ковш, но и в кристаллизатор (при непрерывной разливке).

Устройство, разработанное в Дон-НИИчермете, состоит из пневмати­ческого привода 1 (см. рис. 19.35) с понижающим редуктором, состоящим из шестерен с роликами 2, подающи­ми алюминиевую проволоку 3 с бухты 4. Пневматический привод с редукто­ром и бухта с проволокой смонтиро­ваны на общем основании 5. Разгон бухты предотвращается пластинчатой пружиной 6. Проволока через на­правляющий патрубок 7 поступает в кристаллизатор 8. Скорость подачи проволоки регулируют изменением давления воздуха, подводимого к пнев­моприводу, в соответствии с предвари­тельной его калибровкой.

Одновременное использование кальцийсодержащей и алюминиевой проволок может быть заменено при­менением кальций-алюминиевой про­волоки (КАП), в которой вместо стальной ленты-оболочки используют алюминиевую.

К достоинствам КАП относятся от­сутствие балластного материала обо­лочки из железа, соответственно по­вышение удельного содержания каль­ция в материале и более высокая ско­рость ввода его в металл, а также экзотермический эффект от окисле­ния вводимого с КАП алюминия.

'В отечественной литературе получила распространение аббревиатура ПП (порош­ковая проволока).

19.6.6. Использование утапливае­мых блоков.Для снижения угара и по­вышения эффективности использова­ния таких легкоплавких или легкоис-

Рис. 19.36.Схема технологической линии на Чепецком механическом заводе (г. Глазов) для производства порошковой проволоки:

/ — разматыватель; 2 — направляющие ролики; 3 — клеть с горизонтальными валками (3 шт.); 4— пита­тель; 5—клеть с вертикальными валками (2шт.); 6— волочильная головка и чистовой блок; 7— воло­чильный барабан; 8— сматыватель

паряющихся элементов, как алюми­ний, кальций, магний и др., некоторое распространение получил метод вве­дения их в ковш в глубь металла в виде блоков (метод утапливания). Кальций, например, вводят заключенным в тон­кий стальной кожух-блок цилиндри­ческой формы. Состоящий из железа и кальция блок крепят на защищен­ной футеровкой штанге (рис. 19.37). Соотношение содержаний железа и кальция в блоке подбирают таким, чтобы обеспечить постепенное взаи­модействие кальция, снижение его потерь, а также уменьшение дымо- и пламеобразования. Для введения бло­ков в металл не требуется сложное оборудование. Еще более простым яв­ляется метод опускания (утапливания) в металл алюминиевых блоков. В каче­стве материала для вводимых в глубь металла блоков могут быть использо­ваны композиционные (два или три реагента одновременно).

На основании многолетних иссле­дований, проводимых МГВМИ, были

Рис. 19.37.Установка для ввода алюминие­вых блоков в сталеразливочный ковш, при­меняемая на заводе «Азовсталь»:

/—штанга с алюминиевыми блоками; 2—привод; 3— погрузчик

разработаны основные положения технологии и физическая модель про­цесса, предполагающая создание в объеме металла локальных зон, в кото­рых условия протекания реакций вы­годно отличаются от условий их про­текания в объеме расплава. Так, на­пример, при продувке расплава каль-цийсодержащими смесями была установлена положительная роль алю­миния, дополнительно введенного в состав смеси. Установлено, что при продувке металла смесью, включаю­щей алюминий, в реакционной зоне создается локальная область глубоко­раскисленного металла. При этом в объемах металла, удаленных от реак­ционной зоны, содержание кислорода может быть существенно выше. Объем реакционной зоны в зависимости от интенсивности продувки составляет 15-20 % от объема ковша. Вдувание смесей, содержащих алюминия 0,2— 0,9 кг/т, обеспечивает в этой зоне на­личие глубокораскисленного металла. Блокирование зоны десульфурации алюминием, вводимым в состав смеси, приводит к повышению степени ис­пользования кальция до 80—85 % и обеспечивает глубокое обессеривание расплава.

В дальнейшем концепция создания искусственных локальных зон для эф­фективного раскисления и легирова­ния была использована при разработ­ке технологии легирования титаном в ковше коррозионностойких хромони-келевых сталей. При этом предусмат­ривалось введение титана не в виде чистого ферротитана, а в виде компо­зиционного материала ферротитан-алюминия с использованием кусково­го ферротитана. В связи с этим была разработана специальная технология приготовления кусковых композици­онных материалов, заключающаяся в погружении кускового ферротитана в расплав алюминия для формирования алюминиевой оболочки. Оба элемента (титан, алюминий) во вводимых ком­позитах должны быть в определенном количественном соотношении. Управ­лять этим соотношением можно за счет регулирования размеров кусков ферротитана и толщины алюминиевой пленки в процессе производства ком­позитов. Схемы взаимодействия с

Рис. 19.38.Схемы взаимодействия с жидкой

сталью добавок, содержащих кальций или

титан:

а, в — без алюминиевой оболочки; б, г — в виде бри­кетов с алюминиевой оболочкой

жидкой сталью таких комплексных блоков показаны на рис. 19.38.

Кальций имеет высокое сродство и к кислороду, и к сере. Схема образова­ния сульфидов кальция при введении в металл кальция и алюминия может быть представлена в виде

СаО + S + 2/3 Al = CaS + 1/3 А1₂О₃.

Равновесие системы Ca-S-Al изуча­лось неоднократно. Во всех случаях увеличение содержание алюминия за­метно сдвигает равновесие в сторону снижения содержания серы. Соответ­ственно снижается количество суль­фидов в стали. При этом различный способ введения кальция в известной мере влияет на условия образования и удаления также и оксидных включе­ний и на эффективность использова­ния кальция в целом. Поскольку в значительном числе случаев в процес­се образования оксидных включений принимает участие также кремний, целесообразно рассматривать систему CaO-Al₂O₃-SiO₂ (рис. 19.39). Стрелка­ми на диаграмме показано направле­ние перевода образующихся при обра­ботке оксидных включений в менее тугоплавкие (стадии I—IV).

.Рис. 19.39.Влияние обработки металла кальцием на состав включений в системе СаО-А1₂О₃-SiO₂ (А — сталь, раскисленная алюминием; В— сталь, раскисленная алюминием и кремнием)

КОМБИНИРОВАННЫЕ

(КОМПЛЕКСНЫЕ) МЕТОДЫ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ

Методы вторичной металлургии могут быть условно разделены на простые (обработка металла одним методом) и комбинированные (обработка металла несколькими методами одновремен­но).

По мере совершенствования про­стых методов внепечной обработки получили развитие и комбинирован­ные (или комплексные) методы. Это развитие идет по пути как комбина­ции нескольких простых методов, так и создания новых агрегатов с комп­лексной обработкой стали (сокращен­но АКОС) или превращения простых методов в комплексные.

Из рассмотренных выше к простым методам относятся: 1) обработка ме­талла вакуумом; 2) продувка инертным газом; 3) обработка металла синтети­ческим шлаком в ковше; 4) 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 десуль-фурация или только дегазация и т. п.). Лучшие результаты воздействия на ка­чество металла достигаются при ис­пользовании комбинированных, или комплексных, методов, когда в одном или в нескольких последовательно расположенных агрегатах осуществля­ется ряд операций. Для их проведения оказываются необходимыми усложне­ние конструкции ковша и использова­ние более сложного оборудования. Выбор оборудования определяющим образом зависит от технологии обра­ботки. Несмотря на многоплановость задач, стоящих при решении пробле­мы повышения качества металла ме­тодами вторичной металлургии, ис­пользуемые при этом технологические приемы немногочисленны и связаны с интенсификацией конкретных про­цессов, рассмотренных ниже:

1. Взаимодействия металла с жид­ким шлаком или твердыми шлакообразующими материалами (организа­ция интенсивного перемешивания специальной мешалкой, продувкой газом, вдуванием твердых шлакообра-зующих материалов непосредственно в массу металла при помощи электро­магнитного перемешивания и т. п.).

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

3. Взаимодействия металла с вводи­мыми в ванну материалами для рас­кисления и легирования (подбор ком­плексных раскислителей оптимально­го состава, введение раскислителей в глубь металла в виде порошков, бло­ков, специальной проволоки, патро­нов, выстреливаемых в глубь металла, искусственное перемешивание для улучшения условий удаления продук­тов раскисления и т. д.).

Организация тем или иным спосо­бом перемешивания ванны (интенси­фикация процессов массопереноса) является обязательным условием по­вышения эффективности процесса.

Для проведения внепечной обра­ботки металла комбинированными методами можно использовать: 1) обычный сталеразливочный ковш с футеровкой из шамота и с вертикаль­ным стопором; 2) сталеразливочный ковш с футеровкой из основных высо­коогнеупорных материалов и стопо­ром шиберного типа; 3) сталеразли­вочный ковш, снабженный крышкой; 4) сталеразливочный ковш, оборудо­ванный для вдувания газа или газо-по-рошковой струи снизу через смонти­рованные в днище устройства; 5) агре­гат-ковш с крышкой (сводом), через которую вводят электроды для нагрева металла в процессе его обработки; 6) агрегат конвертерного типа с про­дувкой металла кислородом, аргоном или паром; 7) агрегат конвертерного типа, снабженный оборудованием для вакуумирования расплава и т. д.

Перестройка технологий, исполь­зуемых на отечественных заводах, ха­рактеризуется интенсивным внедре­нием современных методов внепечной обработки и вводом в эксплуатацию соответствующего оборудования. В качестве примера приведем ситуацию, сложившуюся на Оскольском элект­рометаллургическом комбинате, который входит в настоящее время в груп­пу самых современных производите­лей стали в России.

Набор основного технологического оборудования в настоящее время включает:

1) четыре электродуговые 165-т , печи (плавка ведется одношлаковым процессом с интенсификацией про­дувкой кислородом; шихта состоит из 40—100% металлизованных окаты­шей);

2) две установки продувки аргоном через фурму (УПА);

3) две установки продувки аргоном с возможностью ввода порошковых компонентов через фурму (УДПА), со­вмещенные в технологические линии с установками порционного вакуумиро­вания стали (УПВС);

4) восемь трайб-аппаратов ', уста­новленных парами на установках УПА и УДПА (один одноручьевой для ввода алюминиевой проволоки и один двух-ручьевой для присадки порошковых проволок);

5) два агрегата комплексной обра­ботки стали (АКОС), обеспечивающих подогрев металла, возможность при­садки восьми компонентов, обработку порошковыми проволоками и легиро­вание алюминием. Все стенды (УПА, УДПА, УПВС, АКОС) оборудованы подводом аргона к днищу сталеразли-вочного ковша, где установлен проду­вочный блок. Ряд перечисленных ус­тановок был закуплен за рубежом. Учитывая эту практику, необходимо уметь ориентироваться в вопросе о том, какие установки в настоящее вре­мя наиболее распространены, и в наи­менованиях методов.

¹ От нем. Treiben — вгонять, приводить в движение.

² Здесь и далее названия процессов соот­ветствуют названиям разработавших их фирм.

Примерами способов вторичной металлургии, обеспечивающих подо­грев металла.в процессе обработки, яв­ляются ASEA-SKF-процесс², возник­ший в Швеции в 1964 г., и более про­стой Finkl-процесс, появившийся не­сколько позже в США. В первом методе предусмотрена обработка ме­талла с использованием индукционно­го перемешивания и подогрева металла сверху электрическими дугами (рис. 19.40). В таком агрегате металл может выдерживаться под вакуумом длительное время (до 2ч), что обеспе­чивает высокую степень его рафиниро­вания. В некоторых случаях на поверх­ность перемешиваемого под воздей­ствием индуктора металла вводят также некоторое количество шлакообразую-щих. Такой способ является сложным и дорогостоящим, однако это компенси­руется высоким качеством металла. Ус­тановки такого типа работают в стале­плавильных цехах некоторых заводов тяжелого и энергетического машино­строения, где отливают крупные слит­ки для изготовления роторов турбин электростанций и других ответствен­ных изделий. Если в методе ASEA-SKF используется индукционное переме­шивание, то в Finkl-процессе переме­шивание осуществляется более про­стым способом — продувкой аргоном. При этом ковш находится в стационар­ном положении, что упрощает обра­ботку металла при производстве его в больших количествах. Установки типа ASEA-SKF представляют собой не ков­ши, а металлургические агрегаты, в ко­торых проводят определенные метал­лургические операции и процесс ста­новится, по существу, дуплекс-процес­сом: печь (или конвертер) — вто­ричный агрегат.

В другом варианте решения про­блемы (рис. 19.41), когда необходимо использовать метод вакуумирования, организуют последовательную обра­ботку металла вначале на установке с вдуванием кальцийсодержащих мате­риалов (для раскисления и удаления

Рис. 19.40.Схема процесса ASEA-SKF:

а — вакуумирование; 6 — подогрев; / — перемеши­вающий индуктор; 2—электроды; J—шиберный затвор

Рис. 19.41.Схема последовательной обработки стали вначале на установке с вдуванием кальцийсодержащих материалов, затем на установке циркуляцион­ного вакуумирования

серы), затем на вакуумной установке (для дегазации). Если целью является получение низкоуглеродистых сталей (например, коррозионностойких, жа­ропрочных и др.), то широко исполь­зуют комбинирование вакуумной об­работки с аргонокислородной продув­кой и т. д.

Еще пример решения — создание агрегатов, получивших название ковш—печь или LF (от англ, ladle-furnace). Процесс LF проводится в ковше, футерованном основными ог­неупорами, накрытом крышкой, че­рез которую опускают электроды (рис. 19.42, а). Процесс включает пе­ремешивание посредством продувки металла аргоном в ковше, дуговой по­догрев и обработку металла синтети­ческим шлаком в процессе его пере­мешивания аргоном. Процесс обеспе­чивает не только получение заданного химического состава и температуры металла, но и снижение количества неметаллических включений в резуль­тате удаления серы и кислорода.

На рис. 19.43 показан вариант уста­новки типа ковш—печь, предусматри­вающий возможность перемешивания металла аргоном под слоем синтети­ческого шлака. Вдувание порошкооб­разных реагентов и подогрев расплава проводят одновременно.

Агрегаты ковш—печь работают как на переменном, так и на постоянном токе. На рис. 19.44 показано несколь­ко схем работы агрегатов LF на посто­янном токе. В случае а нагрев ванны ведется через шлак. По такой схеме работает крупная 160-т установка вне-печной обработки стали в конвертер­ном цехе НЛМК.

Рис. 19.42.Установка типа ковш-печь: \

а — процесс LF (/ — шиберный затвор; 2 — тележка; i

3— основный шлак; 4— смотровое окно; 5— элект- '\

роды; 6— бункера для хранения легирующих доба- i

вок; 7— инертная атмосфера внутри печи; 8— на- (

грев погруженной дугой; 9— ковш; 10— жидкая :<

сталь; 11 — пористая пробка для подачи аргона); ^!

б— общий вид 130-т установки см. на цветной !

вклейке j

Рис. 19.43.Схема установки ковш—печь типа АР (Arc-Process);

/ — ковш; 2— крышка-свод; 3 — бункера для фер­росплавов и флюсов; 4— фурма для подачи в металл аргона или азота; 5— электроды; 6— подача аргона; 7— фурма для вдувания порошка силикокальция в струе аргона; 8— безокислительная атмосфера; 9-шлак СаО-5Ю₂-А1₂Оз

Рис. 19.44.Схемы установки ковш—печь по­стоянного тока:

а — без подового электрода (/ — ковш; 2 — свод; 3 — электроды; 4— шлак; 5—пористая пробка); 6— с подовым электродом (], 2— электроды; 3 — шлак; /—к вакуумной системе; //— ввод добавок и флю­сов)

Рис. 19.45.Схема АКОС:

1 — пневмонасосы; 2,3 — установки для продувки и нагрева металла соответственно; 4— трансформаторная; 5—водоохлаждаемая крышка; 6— сталеразливочный ковш; 7—сталевоз

Установки ковш—печь в России обычно именуются АКОС (агрегат комплексной обработки стали) или УСДМ (установка стабилизации и до­водки металла). Общая компоновка агрегата АКОС показана на рис. 19.45.

Дальнейшее усложнение конструк­ции агрегата связано с организацией в нем обработки вакуумом. Эти агрега­ты именуются обычно аббревиатурой VAD (от англ, vacuum-arc-degassing). На рис. 19.46 (см. на цветной вклейке) представлены два варианта конструк­ций VAD-установок.

Варианты обработки стали в ковше разнообразны. На рис. 19.47 представ­лен «гипотетический» вариант агрега-

Рис. 19.47.Схема совмещения основных эле­ментов внепечной обработки стали в одном агрегате:

/ — оборудование для ввода раскислителей и доба­вок алюминия в виде проволоки; 2 — кислородная фурма; 3 — устройство для подачи аргона для изме­нения давления (сталь всасывается и выдавливает­ся); 4—электроды для дугового нагрева; 5—фурма для продувки инертными газами с вводом пылевид­ных материалов; 6— патрубок вакуум-камеры; 7— бункер для подачи раскислителей и легирующих до­бавок; <?— индуктор для перемешивания или нагре­ва; 9— шиберный затвор; 10— фурма для продувки пылевидными веществами или инертными газами через шиберный затвор; 11 — пористые фасонные огнеупоры для подвода инертных газов через днище; 12— подвод инертных или активных газов через бо­ковую стенку; 13 — подвижная граница раздела фаз; 14— огнеупорная футеровка; 15— постоянная гра­ница раздела фаз металл-шлак; 16— покровный шлак

Рис. 19.48.Варианты усовершенствования процесса циркуляционного вакуумирования:

а — подача кислорода; б — прдача флюсов; в — со­здание зоны интенсивного ба'рботажа подачей в ме­талл кислорода и аргона

та внепечной обработки непосред­ственно в ковше, где предусмотрены все возможные способы воздействия на металл в ковше.

Примером превращения простого метода в комплексный может послу­жить опыт трансформации агрегата циркуляционного вакуумирования RH. Начальным этапом усложнения процесса явилось дополнительное введение кислорода в вакуумную ка­меру с целью интенсификации обезуг­лероживания и дополнительного по­догрева металла (рис. 19.48, а). Далее для подогрева металла в процессе его обработки начали использовать метод подачи в вакуум-камеру алюминия (в виде проволоки или гранул) с после­дующим окислением его вдуванием кислорода (при протекании реакции 4А1 + ЗО₂ = 2А1₂О₃ + Q выделяется боль­шое количество тепла). Дальнейшее усложнение — подача сверху из бункера непосредственно в вакуум-камеру или снизу в подающий патрубок (рис. 19.48, б) шлак'ообразующих мате­риалов (обычно десульфурирующих смесей на базе CaO-CaF₂); вариант та­кой технологии получил наименова­ние VOF-процесс (от vacuum-oxygen-flux process).

На рис. 19.48, в показана применяе­мая схема дополнительной подачи кис­лорода и аргона непосредственно в ка­меру вакууматора. Такая схема обеспе­чивает эффективное использование вводимого в камеру алюминия для по­догрева собственно металла, контроль и регулирование температуры металла (изменением соотношения О₂: Аг), а также образование в камере зоны ин­тенсивного кипения и перемешивания металла. Это дает возможность, меняя расход алюминия и соотношение О₂: Аг, управлять процессами окисления углерода, кремния, марганца, хрома.

При такой технологии получают сталь, содержащую не более, %: S 0,002; Р 0,015; [О] 0,002; [Н] 0,00015.

Практика показала также, что вве­дение углеродсодержащих добавок (например, электродного боя) в каме­ры порционного или циркуляционно­го вакууматоров обеспечивает получе­ние нужного содержания углерода в готовой стали (при известной массе вводимого углерода). В результате со­здается возможность перенести пол­ностью в ковш такие операции, как раскисление, легирование и коррек­ция по углероду.

Выше были отмечены особые труд­ности при необходимости получения очень низкого содержания углерода. Использование способа, показанного на рис. 19.48, в, облегчает и эту задачу.

Приведенные примеры показыва­ют, что с помощью агрегата циркуля­ционного вакуумирования можно проводить следующие операции: а) дегазацию; б) подогрев (за счет окисления кислородом вводимого алюминия); в) десульфурацию (обра­ботка флюсом); г) раскисление (ввод раскислителей); д) легирование (ввод легирующих добавок); е) науглеро­живание; ж) глубокое обезуглерожи­вание.

Сочетание интенсивной продувки кислородом (сверху) и инертными га-

зами (снизу) с одновременно происхо­дящим вакуумированием осуществля­ется также в агрегатах, названных VODC (от англ, vacuum-oxygen-decar-burisation, converter), или VODK (от нем. Konverter). Схема такого агрегата показана на рис. 19.49 (см. на цветной вклейке).