Боле простой Finkl - процесс, впервые появившийся в США, в отличие от ASEA - SKF предусматривает перемешивание металла продувкой аргоном.

Комбинируются, также варианты последовательной обработки стали. Вначале на установке с вдуванием кальций содержащих материалов, а затем на установке циркуляционного вакуумирования. Постепенно в мировой практике получает широкое распространение процесс в агрегатах ковш-печь рис.30.

Рис. 30. - Установка типа ковш-печь: 1 - ковш; 2 - свод; 3 - электроды; 4 - пористая пробка; 5 - шиберный затвор; 6 - подача инертного газа; 7 - синтетический шлак.

Комбинируется дуговой догрев, обработка синтетическими шлаками (или порошками), корректировка химического состава и продувка аргоном. Обеспечивается рафинирование металла с обеспечением заданного химического состава и температуры. Корректирующие добавки и модификаторы могут вводиться порошковой проволокой с помощью трайб-аппаратов. При доводке металла в агрегатах ковш-печь в сталеплавильных агрегатах технологический процесс упрощается, выпускается полупродукт с более низкой заданной температурой, что облегчает получение низкого содержания фосфора. Производительность и стойкость плавильных агрегатов существенно повышается, особенно дуговых печей. Агрегат ковш-печь облегчает своевременную подготовку металла очередной плавки к разливке на МНЛЗ методом "плавка на плавку".

6. Перемешивание металла в ковше

Перемешивание расплава при внепечной обработке обеспечивает интенсификацию рафинировочных процессов, повышая тепло и массоперенос, увеличивая межфазную поверхность, усредняя химический состав и температуру в объеме ванны. Ускоряется растворение и повышается эффективность использования рафинирующих реагентов, раскислителей, легирующих и охладителей. Обеспечивается дегазация металла, коалесценция и ассимиляция неметаллических включений покровным шлаком.

В зависимости от способа подвода энергии различают перемешивание металла падающей струей, механическими мешалками, вибромеханическое, барботажное, газлифтное, пульсационное, электромагнитное, с использованием газотворных реагентов или добавок к ним и др.

1. Перемешивание падающей струей. Обеспечивается за счет изменения потенциальной энергии. Такое перемешивание имеет место при выпуске плавки, переливе металла из ковша в ковш в процессах DH и RH. Энергия перемешивания металла падающей струей оценивается уравнением:

N = 0,163 ? G ? УH (22)

где N - мощность струи, к Вт; G - расход металла, т/мин; УH - суммарная высота свободного падения струи, гидростатического напора и барометрического столба за счет разности давлений над металлом в сливаемой емкости и на выходе металла из нее, м.

Во время выпуска металла из 100т стационарной печи удельная энергия составляет около 33 кДж/т, но процесс этот ограничивается продолжительностью выпуска и практически не регулируется. При переливе металла в емкость, находящуюся в вакуумном пространстве, мощность струи в среднем на 75% выше, чем при обычном переливе. Дополнительный эффект от использования мощности струи достигается при тангенциальном вводе ее в воронку в результате завихрения.

2. Механическое перемешивание металла мешалками. Обеспечивается наиболее эффективное использование подводимой энергии. Обычно мешалка представляет собой армированную керамику четырех лопастную или в форме диска. Дополнительный эффект при использовании мешалки с т-образным отверстием достигается в результате направленной циркуляции металла снизу вверх через т-образное отверстие. При вращении мешалки со скоростью до 300 об/мин огнеупорная обмазка мешалки изнашивается, загрязняя металл неметаллическими включениями. Поэтому механическое перемешивание неприемлемо для стали, но оно успешно применяется для обработки передельного чугуна. Температура чугуна на много ниже, чем температура обработки стали, а загрязнение его продуктами эрозии огнеупоров не опасно. В этом случае возможно применение мешалок в виде графитовых стержней, так как науглероживание чугуна не опасно.

3. Барботажное перемешивание продувкой металла в ковше аргоном рассмотрено в разделе 2. а примером газлифтного перемешивания является процесс RH.

4. Пульсационное перемешивание - процесс РМ (Pulsationg Mixing). В основу процесса взят принцип забора порций металла в вакууматоре DH и сброса его обратно в ковш. В отличие от способа DH забор и сброс порций металла обеспечивается изменением давления, а не подъемом и опусканием камеры, которая заменена огнеупорной трубой, рис. 31.

Для 250 т ковша длина трубы 3,7 м с внутренним диаметром 0,6 м. Торец трубы перед погружением в металл перекрывается стальным листом для отсечки шлака. Труба поворачивается на стенде и погружается в металл на глубину 1,4 м. Давление в трубе измеряют в пределах 50-150 кПа, нагнетая азот и понижая давление вакуумным насосом небольшой производительности (60 м ³/мин). Длительность нагнетания 0,5 с, выдержка и сброс давления по 2-2,5 с, этот процесс автоматизирован.

Мощность перемешивания составляет 10 Вт/т. полное перемешивание достигается за 30-40 циклов в течение 3 мин.

Пульсация струи интенсифицирует перемешивание, сокращая продолжительность его в 2 раза. Отсутствие барботирования газовых пузырей предотвращает контакт металла с атмосферной и рефосфорацию, в 2 раза снижает потери температуры металла в сравнении с барботажным перемешиванием, обеспечивает почти 100%-ное усвоение присадок и позволяет заменить аргон дешевым азотом. Стойкость патрубка около 100 плавок. В сравнении с процессом DH процесс РМ менее затратный, но в сравнении с барботажным перемешиванием эксплуатационные расходы удваиваются, а дегазация не обеспечивается.

Рис. 31. - Установка для пульсационного перемешивания стали в ковшах: 1 - ковш; 2 - огнеупорная труба; 3 - бункер для реагентов; 5 - распределительное устройство; 6 - система подвода газа; 7 - система удаления газа; 8 - гидросистема; 9 - пульт управления.

5. Индукционное перемешивание успешно применяется на установках ASEA - SKF. В системе индуктором служит статор, а ротором расплавленная сталь. Многофазный ток, протекающий через обмотки статора, индуцирует в жидком металле бегущее магнитное поле, которое увлекает за собой расплав, обеспечивая перемешивание. Для устранения экранирования магнитного поля кожух ковша в месте примыкания к статору выполняют из немагнитной стали или из композитного керамического материала Calidus.

Мощность индукторов в зависимости от массы металла в ковшах составляет 350-700 кВА. Для проникновения магнитного поля глубоко в металл статор питается током частотой 1-2 Гц. Потоки металла перемещаются со скоростью до 1м/с, обеспечивая быстрое растворение ферросплавов, и усреднение химического состава стали. Добавки в ковш вводят в зону перехода восходящего потока в нисходящий - по центру ковша.

На шлак магнитное поле не воздействует, и он вовлекается в движение только контактирующими с ним потоками металла. Это снижает отрицательное воздействие плавильных шлаков на качество металла, но не обеспечивает рафинирование синтетическим шлаком

Преимуществом электромагнитного перемешивания является отсутствие дополнительных приспособлений и реагентов, вводимых в металл, а также интенсивное перемешивание всего объема металла без сохранения застойных зон. Однако из-за высокой стоимости электрооборудования, необходимости изготовления ковшей с кожухами из немагнитных материалов и неблагоприятным высокоскоростным движением потоков металла у стенок футеровки, повышающим его износ и загрязнение металла неметаллическими включениями, применение этого способа ограничивается производством сталей с большим расходом ферросплавов в ковше.

6. Перемешивание газотворными реагентами. В металлургии везде применяются меры предотвращения взаимодействия жидкого металла с водой, чтобы избежать взрывоопасного мгновенного парообразования с многократным увеличением объема. В тоже время в дозированных количествах вода успешно используется, например, для перемешивания чугуна при отливке изложниц. В качестве газотвотрных реагентов используются органические вещества, карбонаты, мазут, смолы, гидроокиси, полиэтилен и пр. Распространено использование газотворных добавок при десульфурации чугуна карбидом кальция.

В ДонНТУ под руководством профессора В.С. Сапиро разработаны и успешно применены в промышленных условиях (ЕМЗ) два варианта использования газотворных реагентов. В одном из них смесь порошков известняка и кокса в соотношении 6:1 затворяется на жидком стекле в количестве 10% (мас) и рассредоточено наносится на днище ковша. После сушки при температуре 500-900?С ковш подается для приема плавки. При взаимодействии с жидким металлом и углеродом кокса известняк разлагается с выделением СО ₂, а затем по реакции СО ₂+С=2СО количество молей удваивается. При расходе смеси 2,3 кг/т стали, выход газов составляет около 1 м ³/т. Интенсивное перемешивание металла в ковше длится в течение всего выпуска плавки, продолжается 5-8 мин после его окончания. Обеспечивается усреднение состава и температуры металла, а также рафинирование при создании восстановительной атмосферы над зеркалом металла.

Другим разработанным вариантом предусматривается погружение на ложном стопоре пористого углеродистого блока в недораскисленную сталь. Достигается стабилизация раскисленности металла с выделением 0,35-0,55 м³/т стали СО. Этого достаточно для гомогенизации расплава.

7. Отделение шлака от металла

Важнейшим элементом успешного проведения операций внепечной обработки является контроль и регулирование количество шлака, попадающего в ковш, при выпуске стали. Конечный плавильный шлак содержит значительное количество окислов железа, соединений фосфора и серы, растворенных газов. Попадание такого шлака в ковш, замедляет эффективную внепечную обработку стали. При этом повышается угар раскислителей и легирующих, из шлака в металл восстанавливается фосфор, снижается степень десульфурации, увеличивается износ футеровки ковша и загрязнение металла неметаллическими включениями.

При отделении шлака от металла необходимо точно и быстро определить момент появления шлака в выпускном отверстии, а затем отсечь его вытекание. При выпуске металла из конвертера момент появления шлака в выпускном отверстии определяется несколькими методами. Самый простой из них, но субъективный метод, когда визуально оценивается момент изменения светимости струи, которая значительно ниже у шлака, чем у металла.

Точнее этот момент определяется с помощью радиационного пирометра.

Надежным и освоенным на практике является метод использования электромагнитного индикатора шлака. В этом случае за прослойкой из плавленого магнезита с двух сторон отверстия на углеродистой связке устанавливают два индуктора. При пропускании переменного тока определенной частоты через один из индукторов во втором наводится ЭДС индукции. Величина ее зависит от магнитной проницаемости расплава в отверстии. Поэтому появление шлака в струе приводит к изменению величины ЭДС индукции, что фиксируется контрольным прибором. Сигнал может усиливаться и озвучиваться ревуном или подаваться к исполнительному приспособлению для перекрытия отверстия.

Успешно применяется также метод определения момента смены металла шлаком при использовании месдоз, устанавливаемых под упором сталеразливочного ковша, принимающего плавку. Так как металл в 2 раза тяжелее шлака и более жидкоподвижен, то в момент начала вытекания шлака резко изменяется график нарастания давления на месдозы. Этот сигнал, как и с индикатора шлака, используется для отсечки шлака.

Непосредственные методы отсечки шлака также разнообразны. Во всех случаях предварительное загущение шлака присадками доломита или коксика облегчает его отсечку. Надежно предотвращается попадание шлака в ковш при оставлении части металла в конвертере, но это связано с уменьшением производительности агрегатов.

В простых ситуациях используется метод "подрыва", когда при появлении шлака в отверстии конвертера его быстро поднимают, оставляя в нем шлак, который затем сливают в шлаковую чашу.

Перекрывать выпускное отверстие можно шиберным затвором, но из-за перегрева и коробления деталей возможны случаи заклинивания подвижной части шиберного затвора.

Фирмой Voest-Alpine разработана пневматическая пробка для перекрытия выпускного отверстия кислородного конвертера. Удерживается шлак в конвертере под действием давления газа, вдуваемого через пробку в выпускное отверстие.

Надежны распространенные методы автоматического перекрытия выпускного отверстия конверторов различными пробками, рис. 33 б. Пробка, например, состоит из стального ошипованого шара, покрытого огнеупорной обмазкой. Слой обмазки подбирают такой толщины, чтобы усредненная плотность пробки была меньше плотности металла, но больше плотности шлака. Такая пробка плавает на границе шлак-металл и автоматически перекрывает отверстие после окончания выпуска металла.

На рис. 32 представлен метод задержки шлака в специальной емкости.

Рис. 32. - Схема отделения шлака от металла через промежуточную емкость: а - разрез сталеразливочного ковша и промежуточной емкости в момент окончания выпуска; б - начало выпуска; в - окончание выпуска; 1 - шлак; 2 - огнеупорный шар-отсекатель шлака; 3 - сталь.

В емкость с двухсторонней футеровкой, установленную внутри ковша, металл начинают сливать в конце его выпуска. Когда из отверстия конвертера начинает вытекать один шлак, конвертер поворачивают в вертикальное положение, а в промежуточную емкость помещают шар, плавающий на границе шлак-металл. Затем промежуточную емкость поднимают краном, металл сливается в ковш, а шлак отсекается шаром.

Предложено также устройство типа сильфона, рис. 33 г, в котором металл сливается через футерованный канал. Форма и конструкция его предусматривают уравновешивание статического давления последних порций металла статическим давлением шлака.

Применение современных средств для отсечки шлака при выпуске плавки из конвертера позволяет уменьшить количество его, попадающего в ковш не более 0,4% от массы металла.

Современная технология выплавки стали в дуговых электрических печах с одношлаковым режимом, также требует организации отсечки окислительных шлаков. Эффективная отсечка шлака на ДСП достигается при использовании усовершенствованных шиберных затворов, обеспечивающих управляемый донный выпуск стали без поворота корпуса печи. Такая технология обеспечивает сокращение длительности плавки на 5-7 мин, уменьшение расхода электроэнергии на 6-10%, электродов на 10-13%, огнеупоров на 12-16% и шлакообразующих на 14-16%.

Рис. 33. - Способы отсечки шлака при выпуске плавки из конвертера: а - через промковш; б - плавающим шаром; в - стопором; г - сильфоном; д - шибером; е - пневматической пробкой.

Самым сложным является вариант отсечки шлака при выпуске из стационарных мартеновских печей, так как в них ось выпускного отверстия лишь немного наклонена к горизонту. Еще труднее решать отсечку шлака в ДСА с большой глубиной ванны. Применение качающихся желобов ванного типа со стационарной скиммерной перегородкой, рис. 34 обеспечивает удовлетворительные результаты, но только при незначительных отклонениях диаметра выпусного канала от номинала (до 7%).

Рисунок 34 - Сталевыпускной желоб ванного типа: 1 - скиммерная перегородка; 2 -отверстие; 3 - надставка; 4 - выемка; 5 - выемка.

Гидродинамическое торможение струи в таких желобах предотвращает ее воздействие на "боевую" стенку ковша, уменьшает разбрызгивание и потери металла. Шлак накапливается в приемной части желоба и через выемку 4 стекает в шлаковую чашу. Некоторые конструкции желобов предусматривают поворачиваемую заслонку для оперативного регулирования отсечки шлака на поверхности потока.

Отделение шлака от металла после заполнения ковша практикуют вакуумным отсосом, применением специальных установок для наклона ковша и механического сгребания шлака с поверхности металла или инициируя стекание шлака продувкой аргоном. Но эти способы требуют увеличения высоты ковша и использования громоздкого оборудования.

Практически полностью отделяется металл от шлака при переливе его из ковша в ковш, но при этом значительно понижается температура металла. Этот метод используется при работе дуплекс - процессом (основной - кислый) и переработке фосфористых чугунов. Попавший в ковш шлак еще отсекают, вводя в ковш сверху огнеупорный колпак с торцом, перекрываемым проплавляемым конусом (процессы SAB и CAS).

Важными критериями при выборе способа отделения шлака от металла являются безопасность, надежность, низкие потери металла, экономичность.

Если после отсечки плавильного шлака металл не покрыт синтетическим шлаком, то необходима тепловая изоляция теплоизолирующими засыпками. Обычно с этой целью используют вермикулит или керамзитовый гравий в количестве от 0,5 до 2,2 кг/т стали. При нагреве эти материалы разрыхляются и обеспечивают хорошую тепловую изоляцию. Китайцы используют рисовую шелуху, которая обугливается, создавая рыхлое теплоизоляционное покрытие. Недостатком вермикулитового покрытия является значительное пылеобразование.

8. Флотация и фильтрация неметаллических включений

Условия флотации неметаллических включений газовыми пузырями при продувке металла аргоном в сталеразливочном ковше рассмотрены в разделе 2. Условия удаления включений из металла в промежуточном ковше отличаются направленностью потоков от приемной части ковша к сталеразливочным стаканам. На этом пути легко организовывается промывка газом потока металла и создание восходящих потоков к шлаковому покрову.

Фильтрационные процессы подразделяются на три типа, рис. 35:

Рис. 26. - Основные методы фильтрации от неметаллических включений.

1. Метод "сита" - фильтрами механически задерживаются крупные неметаллические включения, размеры которых больше размеров ячеек фильтрующего материала;

2. Метод "пирога" - фильтрация через фильтры насыпного типа из подогретых шаров диаметром 7-15 мм на основе двуокиси циркония (MgO или Al₂O₃). На входной поверхности таких фильтров оседают неметаллические включения, формируя утолщающийся слой. Поэтому для поддержания постоянного расхода металла необходимо увеличивать металлостатическое давление;

3. Глубинная фильтрация с оседанием частиц очень малых микронных размеров на стенках каналов пенокерамического фильтра. Лучшим материалом для изготовления таких фильтров для фильтрации стали является композит из 65% стабилизированного ZrO₂ и 35%Al₂O_3. Такой материал применим до температуры 1704?С, очень термостоек и хорошо смачивает неметаллические включения, так как у_{м-в ›} у_ф-в. Пористость пенокерамических фильтров (ПКФ) до 90%, размер ячеек 0,5-5,0 мм, они обеспечивают снижение количества неметаллических включений в 4 раза при установке в поперечных перегородках промковшей.

Основным недостатком рассмотренных фильтров является прогрессирующее их засорение неметаллическими включениями, ограничивающее срок их службы.

Объединение фильтрации с флотацией неметаллических включений в так называемых самоочищающихся фильтрах позволяет многократно увеличить срок их службы.

На Оскольском электрометаллургическом комбинате при разливке на МНЛЗ стали ШХ- 15 из 150т разливочных ковшей разработана принципиально новая система рафинирования стали и сплавов от неметаллических включений при использовании самоочищающихся фильтров. Фильтры выполняются в виде кассет из тонких керамических пластин, расположенных параллельно одна другой с зазором между ними. Фильтры имеют вертикальные каналы, а в их основании устанавливаются пористые блоки для подачи инертного газа. Рациональная организация потоков в фильтрах и во всем объеме промежуточного ковша с помощью перегородок обеспечивает коагуляцию включений, которые флотируются и ассимилируются покровным шлаком при у_{м-в ›} у_{ф-в ›} у_в-г.

Эксплуатационные характеристики самоочищающихся фильтров не изменятся в течение продолжительного времени, обеспечивая снижение содержания неметаллических включений в 2,5 раза.

По некоторым данным в контактирующие с металлом огнеупоры мигрируют некоторые растворенные в стали цветные металлы. Поэтому, в перспективе, с помощью фильтров возможна организация рафинирования стали от примесных цветных металлов.

Литература

1. Дубровский П.В.: Моделирование качества в материаловедении с применением современных инновационных подходов. - Ульяновск: УлГУ, 2006

2. Кекало И.Б.: Атомная структура аморфных сплавов и её эволюция. - М.: Учёба, 2006

3. Ковалев В.И.: История техники. - Старый Оскол: ТНТ, 2006

4. М-во образования и науки РФ, БелГУ, Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН, Московский гос. ин-т стали и сплава; под ред.: Ю.Р. Колобова и др.: Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения. - Белгород: БелГУ, 2006

5. Московский гос. ин-т стали и сплавов (Технологический ун-т), Астраханский гос. ун-т; под ред.: Л.В. Кожитова, В.К. Карпасюка: Перспективные технологии и оборудование для материаловедения, микро- и наноэлектроники. - М.: МГИУ, 2006

6. Никулин С.А.: Материаловедение и термическая обработка металлов. - М.: МИСиС, 2006

7. Никулин С.А.: Материаловедение и термическая обработка металлов. - М.: МИСиС, 2006

8. Раков Э.Г.: Нанотрубки и фуллерены. - М.: Университетская книга; Логос, 2006

9. Светухин В.В.: Кинетика кластеризации и препитации примесей и легирующих элементов в перспективных материалах электронной и атомной техники. - Ульяновск: УлГУ, 2006

10. Федеральное агентство по образованию, Ульяновский гос. ун-т: Учебный план образовательной программы профессиональной переподготовки специалистов по направлению "Коммерциализация наукоемких продуктов и технологий в сфере "Инновационная деятельность в области радиационного материаловедения". - Ульяновск: УлГУ, 2006

11. Федеральное агентство по образованию, Ульяновский гос. ун-т; В.В. Светухин и др.; Рец. В.М. Журавлёв: Моделирование радиационной повреждаемости металлов методом молекулярной динамики. - Ульяновск: УлГУ, 2006

12. Андриевский Р.А.: Наноструктурные материалы. - М.: Академия, 2005

13. Б.А. Решетников, З.А. Ивашкова: Концепции современного естествознания. - Старый Оскол: ТНТ, 2005

14. БелГУ, Экономический фак, Каф. экономики и управления на предприятии; авт.-сост. Г.И. Ткаченко: Материаловедение. - Белгород: БелГУ, 2005

15. Мильвидский А.М.: Методы исследования структур кристаллов. - М.: МИСиС, 2005

16. Пейсахов А.М.: Материаловедение и технология конструкционных материалов. - СПб.: Михайлова В.А., 2005

17. Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова: Материаловедение.. - М.: МГТУ, 2005

18. ред. Е.В. Петрунова: Научные ведомости Белгородского государственного университета. - Белгород: БелГУ, 2005

19. Ржевская С.В.: Материаловедение. - М.: МГГУ, 2005

20. Турилина В.Ю.: Материаловедение и термическая обработка металлов. - М.: МИСиС, 2005

21. Турилина В.Ю.: Материаловедение и термическая обработка металлов. - М.: МИСиС, 2005

22. Федеральное агенстство по образованию, Российская академия архитектуры и строительных наук, БГТУ им. В.Г. Шухова, Белгородский инженерно-экономический ин-т; А.М. Гридчин и др.: Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройндустрии. - Белгород: Белгородский государственный технологический униве, 2005

23. БелГУ, Экономический фак., Каф. экономики и управления на предприятии; Авт.-сост. Г.И. Ткаченко: Материаловедение. - Белгород: БелГУ, 2004

24. БелГУ, Экономический фак., Каф. экономики и управления на предприятий; авт.-сост. Г.И. Ткаченко: Материаловедение. - Белгород: БелГУ, 2004

25. под ред. В.П. Канева; рец. А.А. Педос; М-во образования и науки РФ, Каф. металловедения и физики прочности МИСиС: Материаловедение. - М.: МИСиС, 2004

26. Под ред. В.С. Чередниченко: Материаловедение. Технология конструкционных материалов. - Новосибирск: НГТУ, 2004

27. Под ред. В.С. Чередниченко: Материаловедение. Технология конструкционных материалов. В 2 т.. - Новосибирск: НГТУ, 2004

28. Солнцев Ю.П.: Специальные материалы в машиностроении. - СПб.: Химиздат, 2004

29. Черепахин А.А.: Материаловедение. - М.: Академия, 2004

30. Авт. В.А. Смирнов, Б.А. Ефимов и др. : Материаловедение для отделочных строительных работ. - М.: Академия, 2003

Размещено на Allbest.ru