Введение раскислителей в металл

Условия проведения операции рас­кисления при плавке стали в таких крупных открытых агрегатах, как кон­вертер, мартеновская или электро­печь, неблагоприятны, так как поми­мо кислорода, растворенного в жид­ком металле, с раскислителями в момент их ввода в металл взаимодей­ствует кислород газовой фазы. Кроме того, проходя через шлак, раскислители взаимодействуют с оксидами желе­за шлака. При выпуске металла в ковш струя металла испытывает воз­действие атмосферы. То же воздей­ствие испытывает струя металла при разливке стали из ковша. В результате определенная часть раскислителей (иногда значительная) расходуется не на взаимодействие с кислородом, ра­створенным в металле. Эта часть окис­лившихся не по прямому назначению раскислителей называется угаром рас­кислителей. К сожалению, современ­ные средства контроля плавки еще не позволяют с достаточной точностью заранее предсказать величину угара раскислителей, которая от плавки к плавке может колебаться в заметных пределах, затрудняя получение стали строго определенного состава. Это яв­ление находит отражение в стандар­тах. Например, в соответствии с ГОС­Том содержание марганца во многих углеродистых конструкционных ста­лях может колебаться от 0,5 до 0,8 %, содержание кремния —от 0,17 до 0,35% и т.д. Кроме того, значитель­ный угар элементов-раскислителей нежелателен из экономических сооб­ражений.

Для снижения угара раскислителей и получения стали строго определен­ного состава применяют ряд техноло­гических приемов:

1. Вводят раскислители разного со­става: а) в чистом виде (металличес­кий марганец, металлический алюми­ний); б) в виде сплавов раскислителя с железом или сплавов нескольких рас­кислителей.

2. Изменяют место ввода раскисли­телей: а) непосредственно в плавиль­ный агрегат (печь, конвертер); б) в струю металла, вытекающего из пла­вильного агрегата; в) в глубь металла в сталеразливочном ковше; г) в струю металла, вытекающего из сталеразливочного ковша в изложницу или крис­таллизатор установки непрерывной разливки; д) в ковш, помещенный в вакуумную камеру, и др.

3. Вводят раскислители в разном виде и состоянии: а) твердые (в виде кусков ферросплавов размером до 200 мм); б) жидкие (после предвари­тельного расплавления в специальной печи); в) порошкообразные (при вду­вании порошка в металл струей инерт­ного газа); г) в виде специальной про­волоки, подаваемой в глубь металла с определенной скоростью; д) в виде «пуль», которые при помощи специ­ального устройства «выстреливают» в глубь металла; е) в виде заранее под­готовленных композиционных бло­ков и др.

Угар раскислителей, вводимых в чистом виде, несколько выше, чем угар раскислителей, вводимых в виде сплавов. Чистые раскислители доро­же, однако расход их ниже, меньше требуется тепла на их расплавление (необходима меньшая степень пере­грева металла); они не содержат не­желательных примесей, однако из-за дороговизны и высокого угара рас­кислители в чистом виде (не сплавов с железом) применяют лишь в исклю­чительных случаях.

Наибольший и наименее стабиль­ный угар раскислителей имеет место в случае введения раскислителей в виде кусков непосредственно в плавильный агрегат. Так, например, при введении непосредственно в мартеновскую печь ферромарганца или ферросилиция степень угара марганца и кремния мо­жет колебаться в очень широких пре­делах (что затрудняет все расчеты мас­тера-сталевара) — от 30 до 70%. Тем не менее такой технологический при­ем все же распространен, что имеет следующее объяснение: в момент вво­да раскислителей в ванну печи окис­лительные процессы в ней резко за­медляются, прекращается протекание реакции [С] + [О] = СО_Г и мастер-ста­левар имеет несколько минут, в тече­ние которых можно точно установить состав металла и уменьшить колеба­ния в величинах угара раскислителей и легирующих при последующем рас­кислении и легировании, т. е. облегче­но получение стали заданного состава. Введение раскислителей непосред­ственно в плавильный агрегат называ­ют предварительным раскислением. Окончательным раскислением принято называть введение раскислителей в необходимом количестве частично в струю металла, вытекающего из плавильного агрегата, и частично непос­редственно в ковш. Угар раскислите­лей при введении их в ковш ниже, чем при введении в печь (или конвертер), так как в последнем случае часть рас­кислителей взаимодействует не с ме­таллом, а со шлаком. Однако и при введении раскислителей в ковш угар велик.

Особенно заметен при введении в ковш угар алюминия. Алюминий лег­че стали (плотность – 2,7 г/см³), по­этому заброшенные на струю металла или непосредственно в ковш бруски алюминия всплывают и интенсивно окисляются, плавая на поверхности и взаимодействуя с атмосферой и со шлаком. Значительное количество алюминия при этом расходуется нера­ционально, к тому же образующиеся в большом количестве оксиды алюми­ния могут загрязнять металл. Для пре­дотвращения данного явления ис­пользуют сплавы алюминия с более тяжелыми металлами (железом, мар­ганцем). Лучшие результаты достига­ются при вводе алюминия непосред­ственно в толщу металла. При вводе алюминия в глубь металла достигают­ся: уменьшение угара алюминия (сни­жается его расход), сокращение раз­броса величин этого угара (стабиль­ность состава и свойств металла), а также уменьшение загрязненности стали оксидными неметаллическими включениями.

Снижение угара раскислителей и повышение степени их усвоения ме­таллом достигаются посредством предварительного расплавления рас­кислителей в специальной печи и за­ливки в ковш одновременно с выпус­ком готовой стали из печи или кон­вертера. При этом облегчаются усло­вия получения стали заданного состава и удаления образующихся при раскислении неметаллических вклю­чений.

Введение в металл очень сильных раскислителей (Са, Mg), характеризу­ющихся высоким давлением насы­щенного пара, осуществляют, как правило, методом подачи их в струе инертного газа. Раскислители вдувают через специальную фурму, вводимую почти до дна в ковш с металлом. Дав­ление паров кальция при 1600 °С может превысить 300 кПа. При всплывании пузырей их объем вследствие уменьшения ферростатического дав­ления постепенно увеличивается. Од­нако одновременно протекают реак­ции раскисления и десульфурации с соответствующим расходом кальция на эти реакции, в результате чего объем пузырей уменьшается. Форму и размеры кусочков раскислителей под­бирают таким образом, чтобы обеспе­чить полное использование кальция к тому моменту, когда пузыри подни­мутся к поверхности металла в ковше. Кальций обычно вводят в виде силикокальция или карбида кальция в форме гранул. Расход составляет 1 кг кальция (или 0,4 кг магния) на 1 т стали.

Разновидностью данного метода можно считать метод выстреливания в металл пуль, содержащих раскислители. Минимальный угар раскислителей обеспечивается также при введении раскислителей в виде специально из­готовленной проволоки. Раскислители (и легирующие) в виде порошка за­ключают в оболочку из тонкой желез­ной или алюминиевой ленты. Полу­ченную таким образом проволоку на­матывают на барабан и затем с необ­ходимой скоростью вводят в металл.

На рис. представлена схема подачи в жидкий металл алюминиевой проволоки. Установка состоит из не­подвижной бухты, на которой намота­но 1500 кг алюминиевой проволоки, и подающего механизма. Диаметр про­волоки 12 мм, скорость подачи до 8 м/с. Таким способом особенно удобно проводить раскисление стали и в ков­ше, и в кристаллизаторе установки не­прерывной разливки.

Рис. 25. Схема установки для введения алюминиевой проволоки в жидкий металл