книги / Металлургические технологии

электродной промышленности, появление новых шихтовых материа­ лов (например, прямовосстановленного губчатого железа) привели к созданию новых мощных дуговых печей большой емкости, предна­ значенных для производства низколегированных и углеродистых сталей массового использования.

Все более широко используются приемы, позволяющие сущест­ венно сократить длительность плавки: предварительный подогрев шихтового скрапа отходящими газами, использование двухкорпус­ ных дуговых печей, ведение плавки с так называемым «жидким стар­ том», когда небольшую часть металла от предыдущей плавки остав­ ляют в печи. Последний прием оказался особенно перспективным

вслучае использования в качестве основного компонента шихты металлизованных окатышей.

Еще одним весьма перспективным приемом является использо­ вание модуля «дуговая печь постоянного тока - конвертер», соче­ тающего преимущества дуговой печи постоянного тока и кислород­ ного конвертера. Такой модуль позволяет увеличить долю скрапа

вконвертере до 10 0 % при одновременном повышении качества вы­ плавляемых сталей и без снижения производительности конвертера.

Успешно решается проблема использования смешанного скрапа, содержащего остатки пластмасс, наличие которых в шихте является причиной появления в составе отходящих газов крайне токсичных соединений: диоксинов и фуранов.

Таким образом, в ближайшие годы доля электростали в общей доле ее мирового производства будет увеличиваться.

ГЛАВА 9. Дуплекс-процессы

Дуплекс-процессы - это двухстадийные процессы, при которых выплавка сталей осуществляется последовательно в двух агрегатах. Агрегаты могут быть как одинаковыми, так и различными. Называют дуплекс-процессы следующим образом: сначала указывают агрегат, используемый на второй стадии, а затем агрегат, используемый на первой стадии, например: «кислородный конвертер на кислородный

конвертер» или «дуговая электропечь на кислородный конвертер», т.е. в первом случае процесс на обеих стадиях ведут в кислородных конвертерах, а во втором случае на первой стадии используют ки­ слородный конвертер, а на второй - дуговую электропечь.

Ниже приведены некоторые примеры использования дуплекспроцессов.

9.1. Дуплекс-процесс «кислая мартеновская печь

на основную мартеновскую печь»

Известно, что удаление фосфора и серы возможно только в агрегатах с основной футеровкой, однако в кислых печах возможно получение проч­ ных неметаллических включений наиболее благоприятной - сферической формы, которые не деформируются при обработке давлением, сохраняя свою сферическую конфигурацию. Поэтому на первой стадии в основной мартеновской печи получают жидкий полупродукт с минимально возмож­ ным содержанием фосфора и серы (не более 0,0 1 .. .0,02 %), затем полупро­ дукт выпускают в ковш и переливают в мартеновский агрегат с кислой фу­ теровкой, где и проводят выплавку кислой стали с неметаллическими включениями сферической формы. Если необходимо обеспечить еще меньшее содержание фосфора и серы, проводят дуплекс-процесс «кислая мартеновская печь на основную дуговую электропечь».

9.2. Дуплекс-процессы для переработки

природно-легированных чугунов

Довольно часто железные руды содержат оксиды полезных эле­ ментов, таких как ванадий, хром, марганец и др. В результате домен­ ной плавки эти примеси восстанавливаются и переходят в чугун. Технологиями, позволяющими выплавить сталь и одновременно от­ делить эти полезные примеси для последующего производства фер­ росплавов, являются дуплекс-процессы. Примером такой технологии может служить используемый на ОАО «Нижнетагильский металлур­ гический комбинат» (НТМК) дуплекс-процесс «основной кислород­ ный конвертер на основной кислородный конвертер».

В доменных печах ОАО НТМК получают ванадиевый чугун сле­ дующего среднего состава: 4,4...4,8 % С; 0,40...0,55 % V; 0,15...0,40% Si; 0,20...0,55 % Мл; 0,10...0,35 % Ti; менее 0,045 % S и менее 0,01 % Р. Этот чугун заливают в первый конвертер и ведут продувку кислородом. Главная задача - окислить ванадий и перевести его в шлак:

4[V] + 50!, = 2(V20 5).

Для поддержания в конвертере относительно низких температур, необходимых для успешного протекания процессов окисления ванадия, во время продувки в конвертер присаживают чушковый ванадиевый чугун. Длительность продувки 6 ... 10 мин. Одновременно с ванадием окисляются и другие примеси: кремний, марганец, а также и небольшая часть углерода В результате плавки в первом конвертере получают жидкий полупродукт состава: 2,7 ...3,2 % С; менее 0,04 % V и ванадие­ вый ш лак18...25 % V2O5; 12...18 % Si0 2 ; 3...5 % Сг20з; FeO - осталь­ ное. Полупродукт через летку выпускают в ковш и переливают во вто­ рой конвертер, в котором ведут продувку до получения стали с задан­ ным содержанием углерода. Слитый в шлаковую чашу ванадиевый шлак отправляют в специальный цех для производства феррованадия.

На ОАО «Чусовской металлургический завод» с этой же целью используют дуплекс-процесс «основная мартеновская печь на бессе­ меровский конвертер».

9.3. Дуплекс-процесс «кислородный конвертер

на дуговую электропечь»

Этот процесс получил достаточно широкое распространение, по­ скольку позволяет получать низкоуглеродистую сталь с высоким со­ держанием хрома (типа 03X18Н9) при использовании дешевого вы­ сокоуглеродистого феррохрома. Традиционный способ выплавки таких сталей в дуговой электропечи требует применения дорогого низкоуглеродистого феррохрома.

На первой стадии в дуговой электропечи выплавляют легирован­ ный хромом и никелем углеродистый полупродукт с содержанием углерода 1,3... 2,5 %.

Вторая стадия этого процесса - окончательная выплавка стали в специальном конвертере с нижней аргонокислородной продувкой получила название AOD-процесс (Argon-Oxygen Decarburization).

Полупродукт вместе со шлаком переливают в конвертер, устрой­ ство которого показано на рис. 9.1. Конвертер продувают аргоно­ кислородной смесью через сопла, расположенные в стенке у днища. Сопла состоят из центральной трубы для подачи аргонокислородной смеси и наружной трубы, по которой подают аргон для охлаждения сопла. Футеровка конвертера - смолодоломитовая.

Рис. 9.1. Общее устройство аргонокислородного конвертера: 1 - со­ пло для подачи аргонокислородной смеси; 2 - смолодоломитовый кирпич высокого качества; 3 - обожженный смолодоломитовый кир­ пич; 4 - обожженный доломитовый кирпич; 5 - смолодоломитовая набивная масса

Продувка делится на два периода. Первый период - окислитель­ ный. Во время этого периода происходит окисление примесей (леги­ рующих добавок) и углерода. Перед началом продувки в конвертер загружают охладители: стальной лом и легирующие добавки. Про­

дувку ведут аргонокислородной смесью переменного состава: в на­ чале продувки соотношение расхода кислород/аргон равно 3:1. По мере уменьшения содержания углерода в жидком металле долю ар­ гона постепенно увеличивают. Заканчивают окислительный период при соотношении кислород/аргон как 1:2. Длительность периода примерно 70 мин.

Когда содержание углерода в металле снизится до 0,03...0,04 %, начинается восстановительный период: отключают подачу кислоро­ да, продолжая продувку аргоном. Кроме того, в конвертер вводят известь и ферросилиций, который необходим для восстановления хрома, окислившегося и перешедшего в шлак во время окислитель­ ного периода. Продувка аргоном длится около 5 мин. За это время кремний восстанавливает из шлака до 95 % хрома. Продувку аргоном останавливают. Шлак, содержащий повышенное количество Si02, сливают и наводят свежий шлак, вводя известь и плавиковый шпат. При возобновлении аргоновой продувки в свежий шлак переходит до 95 % содержащейся в жидком металле серы. Длительность повтор­ ной продувки аргоном длится не более 3...5 мин. Общая длитель­ ность обработки в AOD-конвертере не превышает 90 мин.

ГЛАВА 10. Технологии получения сталей

высокого и особо высокого качества

Быстрое развитие современной техники предъявляет все более высокие требования к качеству сталей. Для целого ряда изделий авиационной и космической техники, для конструкций и деталей, работающих в условиях Крайнего Севера, для радиоэлектронной и приборостроительной техники требуются стали и сплавы с гаран­ тированным отсутствием макродефектов, однородные по составу и свойствам, содержащие в своем составе чрезвычайно низкие коли­ чества нежелательных примесей.

Качество сталей, выплавленных в обычных сталеплавильных аг­ регатах - конвертерах, дуговых электропечах, мартеновских печах, этим требованиям не соответствует. Поэтому во второй половине

XX века получили развитие приемы и технологии, способные обес­ печить особо высокое металлургическое качество сталей и сплавов.

Эти способы можно разбить на две группы: специальная элек­ трометаллургия (переплавные процессы) и ковшовая металлургия (или внепечная обработка жидких сталей). Теоретические основы этих способов изложены в главе 4.

10.1. Ковшовая металлургия

Все разработанные на сегодняшний день методы ковшовой ме­ таллургии по их функциональной направленности можно разделить на 4 основные группы:

1 ) методы перемешивания жидкого металла с целью усреднения температуры и химического состава;

2 ) методы введения порошковых реагентов, раскислителей и ле­ гирующих микродобавок;

3)вакуумная обработка жидких сталей и сплавов;

4)методы комплексной обработки на установках «ковш-печь».

10.1.1. Методы перемешивания

Перемешивание жидких сталей при продувке аргоном или азо­ том является простым, дешевым и поэтому самым распространен­ ным способом внепечной обработки (рис. 10.1). Они позволяют про­ водить гомогенизацию жидких сталей, удалять до 10... 15 % водоро­ да и неметаллических включений, а также активизировать обменные процессы между металлом и шлаком.

Продувку металла в ковше инертным газом проводят с помощью фурмы, опускаемой сверху (рис. 1 0 .1 , а), либо через фурмы, распо­ ложенные тангенциально в днище ковша, либо через пористые проб­ ки, швы и вставки, устанавливаемые в днище ковша (рис. 1 0 .1 , б). В последние годы метод продувки металла инертным газом получил дальнейшее развитие на заводах японской фирмы Nippon Steel Corpo­ ration. Для защиты металла от окисления, повышения усвояемости раскислителей и легирующих добавок и точной корректировки хи­ мического состава сталь покрывают слоем синтетического шлака.

Вдувание смеси порошкообразных материалов (фракция до 2 мм) CaO-FeO-CaF2 в струе инертного газа позволяет проводить глубокую дефосфорацию. Для эффективной десульфурации жидкую сталь под слоем низкоокисленного шлака продувают смесью СаОAl20 3 -CaF2 в струе аргона (рис. 10.2, а).

а б е г

Рис. 10.2. Методы введения порошкообразных реагентов, раскислителей и микролегирующих добавок: а - вдувание порошков; б - введение полой проволоки; в - выстреливание пуль; г - погружение в жидкую сталь в кон­ тейнере; 1 - контейнер; 2 - трайб-аппарат; 3 - пневматическая пушка;

4 - штанга; 5 - закрытый контейнер

Перспективным способом введения порошкообразных материа­ лов является введение их в жидкую сталь внутри тонкостенной труб­ ки с помощью трайб-аппарата (рис. 10.2, б). Этот метод, называемый CW (Cored Wire), обладает следующими преимуществами по сравне­ нию с вдуванием порошков в струе инертного газа: стальная оболоч­ ка защищает реагенты от окисления во время хранения и транспор­ тировки, предохраняет их от окисления при прохождении через слой шлака, позволяет точно дозировать количество добавок и вводить их на определенную глубину. Одновременно с введением добавок сталь продувают аргоном снизу.

В качестве наполнителей для десульфурации используют не только кальцийсодержашие соединения, но и микролегирующие до­ бавки, позволяющие с высокой точностью регулировать содержание в сталях алюминия, титана, бора, углерода и других элементов. Про­

волоку с добавками можно вводить не только во время внепечной обработки, но и в процессе непрерывной или сифонной разливки.

Несколько меньшее распространение в практике внепечной об­ работки сталей получил способ введения компонентов путем вы­ стреливания капсул пневматической пушкой в глубь жидкого метал­ ла (рис. 10.2, в). Подобный способ, разработанный в Японии, полу­ чил название ABS (Aluminium Bullet Shooting).

Еще одним способом введения активных реагентов в жидкую сталь является погружение их в ковш в закрытом контейнере на фу­ терованной штанге (рис. 1 0 .2 , г).

10.1.3. Вакуумная обработка

Вакуумная обработка жидких сталей получает все большее рас­ пространение: только за последние 10 лет на металлургических заво­ дах мира введено в действие более 80 новых установок для вакуум­ ной обработки общей производительностью 62 млн т/год. По прогно­ зам в 2010 году до 30 % всех выплавляемых сталей в мире сталей будет подвергаться вакуумной обработке.

Вакуумная обработка при снижении давления в камере до 0,1... 1,0 кПа обеспечивает глубокое обезуглероживание (до 0,01 %) и раскисление, снижение содержания водорода до 1 ppm (ppm - part per million - число атомов примеси на миллион атомов железа), уменьшение доли неметаллических включений, гомогенизацию по температуре и химическому составу, точное легирование при высо­ кой степени усвоения вводимых компонентов.

Все методы вакуумирования можно разделить на три группы:

1 ) струйное вакуумирование при выпуске металла из сталепла­ вильного агрегата в ковш, при переливе из ковша в ковш, при раз­ ливке в изложницы или при непрерывной разливке;

2) вакуумирование в ковше с одновременным электромагнитным перемешиванием или продувкой инертным газом;

3) вакуумирование порций металла вне ковша в вакуум-камере. Струйное вакуумирование (рис. 10.3) применяют при разливке в из­

ложницы слитков большой массы (до 500 т и более) для поковок ответст-

венного назначения (коленчатых и гребных валов океанских судов, рото­ ров турбин, прокатных валков большого диаметра). Перспективным яв­ ляется разработанный в России метод поточного вакуумирования сталей при непрерывной разливке (рис. 10.4). Метод позволяет снижать содер­ жание водорода, кислорода и долю неметаллических включений в струе металла в вакуумной камере, расположенной над промежуточным ков­ шом установки непрерывной разливки сталей.

Вакуумирование сталей при выпуске из печи и при переливе из ковша в ковш не получило широкого распространения вследствие значительного охлаждения металла (на 40...90 °С).

Вакуумирование в ковше, помещенном в специальную вакуумную ка­ меру или закрытом герметичной крышкой, является наиболее простым способом вакуумной обработки жидкого металла (рис. 10.5). Такой обра­ ботке чаще подвергают нераскисленную сталь, в которой в результате ин­ тенсивного кипения, содержание водорода и кислорода может быть сни­ жено до 3 ppm. Для повышения эффективности вакуумирования применя­