Исследование и разработка нового способа получения низко- и среднелегированных сталей с пониженным содержанием азота

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан Инновационный Евразийский университет

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Исследование и разработка нового способа получения низко- и среднелегированных сталей с пониженным содержанием азота

специальность 5В070900 - «Металлургия»

Алдунгаров А.К.

Павлодар 2015



Введение

В настоящий период времени металлургия сделала большой шаг вперед, и так же вместе с ней возросли требования различных отраслей на качество производимого металла. Как известно негативное влияние различных газов на механические свойства металла неоспоримо.

В текущее время на ряде металлургических предприятий в многотонных печах производят cталь с исходной долей азота не более 0,008%. Столь низкое содержание нитрида обуславливается необходимостью получения высококачественных сталей не подвергаемых

В настоящей работе произведен анализ металлургических исследований с целью выявления влияния азота на свойства стали и на основе физико-химических исследований, использования последних достижений металлургической науки предложена технология комплексного воздействия на металлический расплав в электросталеплавильных агрегатах с целью получения в стали более низкого содержания [N] менee 0,008 %.

Возможность успешного выполнения проекта базируется на достаточно плодотворных наработках, сделанных в последние 10-15 лет и широко представленных в многочисленных публикациях в отечественных и зарубежных периодических изданиях, а также трудах международных конференций.

Актуальность дипломной работы заключается в поиске способов повышения уровня дегазации металла при внепечной обработке.

Целью дипломной работы является исследование различных способов получения низко- и среднелегированных сталей с пониженным содержанием азота.

Задачами дипломной работы является разработка нового способа получения низко- и среднелегированных сталей с пониженным содержанием азота.

Объектом дипломного исследования являются внепечные агрегаты обработки стали.

Научная новизна. На основании проведенного теоретического анализа предлагается использовать комплексное использование методов внепечной обработки для дегазации сталей.



1. Аналитический обзор литературы

1.1 Растворимость азота в стали

В каждой стали в некоторых количествах содержатся элементы в обычных условиях являющиеся газами. К этим элементам в первую очередь относятся кислород, азот и водород, в большой степени влияющие на качество стали.

Процесс, в результате которого газы оказываются в металле в атомарном, ионном состоянии или в виде химических соединений, в металлургической практике обычно называют процессом растворения газов в металле. Условно в этом процессе можно выделить несколько стадий:

1) массоперенос газа к поверхности металла;

2) адсорбция газа на поверхности металла;

3) переход через границу газ-металл;

4) диффузия газа в тонком перемешиваемом (диффузионном) слое жидкости;

5) массоперенос в толщу металла.

Лимитирующей стадией процесса растворения газов в металле, как правило, является либо внешняя диффузия (подвод газа), либо внутренняя диффузия (массоперенос в металле).

Обычно под растворимостью газа принимают его количество, перешедшее в раствор в металле при нормальном парциальном давлении газа.

В зависимости от суммарного (результирующего) изменения энтальпии ?Нs растворимость газов повышается или понижается с повышением температуры металла. В случае растворения в чистом железе двухатомных газов установлена четкая связь между парциальным давлением р этих газов в атмосфере над расплавом и растворимостью газа в металле:



S=Kvp (1)

где S-растворимость газа в металле;

К-константа равновесия;

р-парциальное давление газа в атмосфере над расплавом.

Это соотношение называют законом квадратного корня или законом Сивертса.

На основании данных об изменении растворимости азота в железе (рисунок 1) можно сделать следующие выводы:

1) растворимость азота в ?- и ?-Fe повышается при увеличении температуры;

2) растворимость азота в ?-Fe при подъеме температуры снижается, что объясняется понижением прочности нитрида Fe4N;

3) растворимость азота при переходе из жидкого состояния в твердое и из одного аллотропического состояния в другое резко меняется;

4) растворимость азота в жидком железе с увеличением температуры повышается.

Рисунок 1 - Растворимость азота в жидком железе

Для процесса растворения азота в жидком железе типичны, по крайней мере, две стадии:

1) диссоциация молекулярного азота на атомы N2 > 2N -- сопутствуется поглощением тепла;

2) растворение атомарного азота N > [N] -- сопровождается выделением тепла.

Поскольку ?Hдис> ?Hраст, суммарный процесс проходит с поглощением тепла. При повышенных температурах отмечается рост содержания азота в металле (к примеру, при продувке техническим кислородом с увеличенным содержанием азота, в высокотемпературной зоне дуги при электродуговом обогреве и т. п.). При 1600°С и рN2=0,1МПа растворимость азота в жидком железе близка к 0,044 %. При этих обстоятельствах азот образует с железом раствор, близкий к идеальному.

Формирование нитридов железа (Fe4N, Fe2N) проистекает в процессе остывания закристаллизовавшегося металла (в основном в области ?-Fe) По влиянию на растворимость азота в жидком железе элементы-примеси металла можно разбить на три группы:

1. Образующие прочные нитриды (ванадий, ниобий, лантан, церий, титан, алюминий). Эти элементы увеличивают растворимость азота в железе. Подобные примеси, как хром, марганец, молибден, обычно нитридов не образуют, но они характеризуются большим химическим сродством к азоту, чем к железу, оттого также заметно повышают растворимость азота.

2. Не образующие нитридов (углерод, никель, медь, фосфор) или образующие с азотом соединения, менее крепкие, чем с железом (кремний). Эти элементы заметно уменьшают растворимость азота в железе.

3. Кислород и сера, мало сказывающиеся на растворимость азота в железе. Являясь чрезвычайно поверхностно-активными, они проявляют значительное влияние на кинетику поглощения азота.

Воздействие содержания примесей железа на растворимость в нем азота заметно из рисунка 2. При остывании стали, включающей азот, нежелательным является скачкообразная трансформация растворимости. При стремительном охлаждении азот не успевает выделиться, и раствор становится пересыщенным. Процесс выделения излишнего азота проходит во время эксплуатации готового изделия и во многих случаях приводит к ухудшению свойств стали (старение и связанное с этим скачкообразное повышение прочности и понижение пластических свойств).

Рисунок 2 - Растворимость азота в сплавах железо-легирующий элемент R при нормальном давлении и температуре 1600 °С

Размеры частиц азота в металле существенно больше, чем водорода, отчего скорости диффузии азота в железе более низкие. Коэффициент диффузии водорода в жидком железе Dн = (8,0 + 9,0) • 10-3 см2/с, тогда как для азота DN =3,77 •10-5 см2/с, т. е. ниже на два порядка, потому при уменьшении давления (обработка вакуумом) водород удаляется из металла с большей интенсивностью, чем азот.

Присутствие в железе поверхностно-активных примесей заметно сказывается на процессы растворения (и соответственно выделения) азота. Так, к примеру, кислород является поверхностно-активной примесью. В результате присутствия в расплаве кислорода образуется насыщенный кислородом поверхностный слой, приводящий к понижению скорости перехода азота через границу газ -- жидкий металл, отчего при малом уровне раскисленности и незначительном перегреве металла над ликвидусом можно продувать сталь азотом без страха получить слишком значительное его содержание. Другое развитие у процесса, когда металл хорошо раскислен, либо когда в агрегате или в какой-то локальной зоне (скажем, в зоне электрических дуг или в зоне подачи технического кислорода в ванну) имеют место видимые перегревы металла.

1.2 Влияние азота на свойства стали

При отсутствии в стали элементов, образующих нитриды при большой температуре (Ti, Al, Zr, V), после образования ?-Fe возникает выделение азота из раствора в виде включений нитридов железа (Fe2N, Fe4N, Fe8N). Это выделение может длиться продолжительное время после остывания и, так как оно проистекает в основном при низкой температуре, выделившиеся включения дисперсны (размером порядка 10-3 мкм). Дисперсные включения нитридов железа размещаются по кристаллографическим плоскостям и, мешая перемещению дислокаций, вызывают чрезмерную хрупкость металла. Следствием этого является понижение ударной вязкости и относительного сужения, при одновременном росте твердости и прочности.

Как и выделение нитридов железа, понижение ударной вязкости повышается при продолжительном хранении или эксплуатации стальных изделий, достигая минимума спустя 20--40 суток, потому описываемое явление получило название старения. Старение может быть ускорено искусственно, если закаленное железо или сталь подвергать холодной пластической деформации, повышающей скорость распада твердого раствора и выделения нитридов железа. В следствии старения ударная вязкость может понизиться в четыре--шесть раз, поэтому склонность к старению является недостатком стали. Она свойственна для малоуглеродистой стали, не раскисленной алюминием или ванадием.

Воздействие азота на механические свойства стали изображено на рисунке 3.

Рисунок 3 - Воздействие азота на механические свойства стали

Присадка в сталь элементов, связывающих азот в нитриды при больших температурах, ликвидирует склонность стали к старению. Подобными элементами являются следующие:

1) алюминий, образующий нитриды в основном во время затвердевания и в твердом металле до температуры превращения ?-Fe в ?-Fe;

2) ванадий и цирконий, образующие нитриды во время кристаллизации;

3) титан, образующий нитриды в жидкой стали и во время кристаллизации.

Наибольшее использование приобрел алюминий, обширно используемый и в качестве раскислителя. При обыкновенных концентрациях азота и алюминия в твердом металле образуются нитриды. Однако включения этих нитридов, выделяясь при более высокой температуре, имеют на два-три порядка крупные размеры, чем включения нитридов железа, потому они не оказывают такого воздействия на движение дислокаций и не вызывают старение.

Таким образом, спокойная сталь, раскисленная алюминием, не склонна к старению. Тем не менее и в стали, раскисленной алюминием, может наблюдаться снижение ударной вязкости. Это выражается при высоком содержании азота и алюминия (например, 0,01% N и 0,2% А1), когда в металле образуется межзеренный излом, проходящий по границам зерен первичного аустенита. Формирование такого излома вызвано ослаблением связи между зернами в результате выделения по их границам включений нитрида алюминия, и оно указывает об ухудшении свойств металла.

Подводя результат всему вышесказанному излишнее содержание азота в стали приводит к снижению предела текучести и временного сопротивления, к тому же он является существенной причиной старения малоуглеродистых сталей. В стали, изготовляемой в электропечах, содержится 0,008-0,012% азота. Так как азот является трудноудаляемой примесью, его негативное влияние можно нейтрализовать путём введения нитридообразующего элемента для получения высокопрочных нитридов. При этом достигается в первую очередь увеличение вязких свойств сталей. Однако для сведения вредоносного влияния азота к минимуму желательно получать сталь с содержанием данного элемента меньше 0,004%.

1.3 Источники газов

К основным источникам газов относятся:

1) шихтовые материалы;

2) атмосфера плавильного агрегата, а также подаваемое на поверхность или в глубь ванны дутье (технический кислород или воздух);

3) ферросплавы и различные добавки, вводимые в металл или шлак по ходу плавки и разливки;

4) атмосфера, окружающая жидкий металл при выпуске и разливке.

Большее количество газов привносит в металл шихта и, несмотря на то, что эти газы в существенной мере убираются из металла по ходу плавки, на насыщенность шихтовых материалов газами обращают особое внимание. Лом содержит обычно 0,003-0,005% N. Чугун содержит обычно 0,0055 N.

1.4 Изменение содержания азота по ходу плавки

Поведение азота при выплавке стали с применением металлического лома в шихте изучали многие исследователи, которыми обнаружено, что после проплавления шихты и проведения окислительного периода концентрация азота зависит от химического состава стали, конкретных условий ведения плавки и от числа окисленного углерода.

Сталь, произведенная в открытых электрических дуговых печах, содержит немного больше азота, чем мартеновская сталь того же состава. Как правило это истолковывают более значительной температурой и диссоциацией азота в зоне дуг.

За время плавки в электрических дуговых печах проходят оба процесса: азот поглощается из атмосферы печи плавящимся в зоне дут металлом (главным образом в начале периода плавления до появления жидкого шлака) и выделяется вместе с окисью углерода, образованной в результате окислительного воздействия железистого шлака на жидкий металл.

Сам факт поглощения азота из атмосферы печи удостоверяется благотворным воздействием раннего шлакообразования и понижения засоса воздуха в ее рабочее пространство, способствующих понижению содержания азота к завершению плавления. Итоговое количество азота, поглощенного за время плавления, по всей вероятности, незначительно, так как в противоположном случае тяжело было бы объяснить существование явственной зависимости между содержанием азота в шихте и его концентрацией в готовой углеродистой стали или в металле к завершению окислительного периода плавки

Окисление металла во время плавления и связанное с ним выгорание некоторого количества углерода способствуют снижению концентрации азота к окончанию плавления. Вследствие этого в плавках с затянувшимся плавлением азота и углерода в металле бывает, как правило меньше. Замена извести известняком понижает содержание [N] к концу плавления примерно на 0,002%.

Для формулировки зависимости между изменением [N, %] за время кипения (? [N, %]) и количеством выгоревшего углерода (?[С]) были предложены всевозможные уравнения. Тем не менее в действительности:

lg[N]/[N]0 = -k([C]0-[C]) (2)

т. е. логарифм относительного изменения концентрации [N] соразмерен количеству выгоревшего углерода.

Даже в подходящих условиях количество азота, выделяющегося из металла в окислительный период плавки, как правило не превышает 30--50% от его исходного содержания. Если в металле по расплавлении было 0,006--0,011% N, то к окончанию окислительного периода плавки содержание его обыкновенно находится в пределах от 0,004 до 0,008%. В таких пределах изменение содержания азота в металле за время кипения ?[N, %] примерно пропорционально lg[N]/[N]0, а стало быть, по уравнению и ([С]0--[С]). Чтобы более полно выделить азот, необходимо существенное увеличение ?[С, %]. Для получения стали с низким содержанием азота советуется окислять от 0,35 до 0,45% С (vс около 0,35% С в час). Эти советы подтверждаются практикой работы наших заводов и последними выводами Чуйко (от 0,3 до 0,5% С для основных и от 0,2 до 0,3% для кислых дуговых печей).

Изменение содержания азота в окислительный период плавки, проводимый с применением газообразного кислорода, зависит от чистоты кислорода и способа его подачи в ванну. При подаче кислорода через стационарную фурму ее сопло располагается на 300--500 мм от поверхности металла. В этом случае струя кислорода разбавляется инжектируемым воздухом и содержание азота в металле убавляется неспешней, чем при подаче кислорода в ванну через трубки, а в некоторых случаях даже повышается. Схожее явление было установлено на одном из металлургических заводов, при изготовлении трансформаторной стали в 100-т дуговых печах. Среднее содержание азота за время продувки металла кислородом в проконтролированных плавках возрастало от 0,0053% до 0,0076% и вновь уменьшалось до 0,0070% после добавки чугуна (1% от веса садки), вызывавшего вскипание ванны.

Во все периоды плавки металл в большей или меньшей мере соприкасается с печными газами. Площадь поверхности соприкосновения металла с газами зависит от типа процесса и периода операции; при выпуске металла из печи и при его разливке площадь поверхности соприкосновения металла с газом больше, чем в те периоды плавки, когда металл покрыт шлаком. При плавке стали в электропечи азот переходит в металл из печной атмосферы во время плавления. Этому содействует восстановительная атмосфера в области дуг и в общем небольшое окисление металла, а также диссоциация азота в дугах. После образования окислительного шлака, растворяющего очень мало азота (от 0,002 до 0,008%), поступление азота в металл из печной атмосферы практически прекращается, поэтому ранее шлакообразование позволяет меньшее содержание азота в металле к началу окислительного периода. Во время окислительного периода происходит удаление части азота из металла в результате экстрагирования его пузырями СО. Количество удаляемого азота повышается с ростом количества окислительного углерода. Содержание какого-либо газа в металле зависит от парциального давления этого газа в окружающей металл атмосфере. Практика показывает, к примеру, что содержание азота в стали, полученной при продувке чугуна воздухом выше, чем при продувке чистым кислородом.

Принимая во внимание это обстоятельство, наиболее чистую по содержанию газов сталь можно получать при плавке и разливке в вакууме. В этом случае металл не только не насыщается газами из атмосферы, а напротив, содержащиеся в металле газы экстрагируются из него. В обычных условиях роль, подобную воздействию вакуума, играют пузыри СО, образующиеся при окислении углерода. Водород и азот, растворенные в металле стремятся выделиться в пузырь монооксида углерода, потому что их парциальные давления в нем равны нулю. В тех случаях, когда металл кипит, изменения содержания газов в нем зависит от двух воздействующих в противоположном направлении факторов: насыщения металла газами в результате влияния атмосферы агрегата и выделение газов из металла вместе с пузырями монооксида углерода. В момент, когда кипение по каким-нибудь причинам прерывается, прервётся и очищающее действие СО.

Такое же очищающее влияние оказывает продувка металла инертным газом (например, аргоном) или разливка стали в атмосфере инертного газа. Продувка стали аргоном - один из самых распространённых способов внепечного рафинирования. Одной из задач продувки является снижение содержания газов в металле - кислорода, азота и водорода.

При дегазации раскисленной стали удаление азота при всех способах нестабильно и незначительно, при продувке стали на воздухе или в вакууме содержание азота изменяется на 8 - 13%. Дегазация нераскисленных сталей практически не сопровождается удалением азота до момента ввода раскислителей, после чего начинается период деазотации, что объясняется образованием нитридов титана и алюминия и их удалением пузырьками аргона. Тем не менее удаление азота в процессе продувки расплава аргоном неэффективно даже при применении большого (более 2 м3/т) расхода аргона. В ряде случаев, когда металл не содержит нитридообразующих примесей и температура металла незначительна, аргон для продувки заменяют более недорогим азотом. Содержание азота при этом почти не изменяется, а содержание водорода уменьшается. Кроме указанных факторов, на содержание газов в металле сказываются также вводимые по ходу плавки добавки (известь, руда, ферросплавы и т.д.).

При выпуске расплава из печи и его продувке происходит существенное повышение концентрации азота на 0,002 - 0,004%. Это связано с взаимодействием расплава с атмосферой и увеличением интенсивности поступления азота из шлака в металл. Следует отметить, что при менее высоких температурах выпуска расплава из печи (1640 ?С), средний прирост содержания азота от 0,001 до 0,002% значительно ниже, чем при температурах выше 1640 С от 0,002 до 0,0035%.

В восстановительный период содержание азота в стали повышается в результате прекращения окисления углерода и, следовательно, удаление азота при повышении интенсивности поступления его из шлака в металл. Последнее является последствием существенного увеличения растворимости азота в шлаке при его раскислении. В белых шлаках растворимость азота согласно изысканиям Н.М.Чуйко, составляет 0,03-0,06%, а в карбидных шлаках достигает 0,2%. Действенным способом уменьшения количества азота, поступившего в сталь в восстановительный период, является снижение длительности восстановительного периода и отказ от работы под карбидным шлаком. В среднелегированных сталях, выплавляемых в дуговой электропечи, обычно содержится от 0,006 до 0,012% N (по сравнению с от 0,004 до 0,008% N в мартеновской и от 0,002 до 0,005% N в кислородно-конвертерной стали). В высоколегированной стали содержание азота значительнее и может достигать 0,02% в следствии роста растворимости азота в металле и внесения его ферросплавами (содержание азота в феррохроме от 0,004 до 0,05%, а в ферромарганце от 0,01 до 0,06%).

При вакуумной обработке устойчиво достигается пониженная концентрация водорода, отвечающая близкому парциальному давлению водорода в газовой фазе. Понижение азота при его исходном содержании от 0,003 до 0,006% невелико и составляет в среднем 4%, а при более значительном содержании от 0,015 до 0,028% составляет 15 - 29%. Подобным образом, уменьшение азота зависит от его исходного содержания, а итоговая концентрация не достигает расчётных значений, отвечающих закону Сивертса.

Понижение концентрации азота достигается на 10-20% только при вакуумировании частично или полностью раскисленного металла. Более значительное (до 40%) снижение концентрации азота наблюдали только при вакуумной обработке нераскисленного металла. Исследователи объясняют это удалением азота с оксидом углерода, образующегося при взаимодействии углерода и кислорода. В тоже время удаление азота из нераскисленного металла должно замедляться присутствием растворённого кислорода. Кислород, являясь поверхностно-активным элементом, защищает металл от насыщения азотом. Поэтому более позднее раскисление расплава алюминием способствует получению в металле низкой концентрации азота, что необходимо учитывать при выборе наилучшего режима раскисления для понижения азотации металла в процессе внепечной обработки. В этой связи необходимо рассматривать процесс удаления азота из нераскисленного металла с пузырьками СО, а после раскисления с поверхности взаимодействия металл - газовая фаза.

Получению металла с наименьшим содержанием азота способствуют следующие мероприятия:

1) применение чистых по азоту шихтовых материалов;

2) защита металла от соприкосновения с азотосодержащей атмосферой в зоне очень высоких температур или искусственное охлаждение этой зоны;

3) организация по ходу плавки кипения ванны (удаление азота с пузырьками СО);

4) обрабатывание металла вакуумом;

5) продувка металла инертными газами;

6) связывание азота в прочные нитриды при введении в сталь нитридообразующих элементов (например, алюминия).



2. Способы улучшения качества металлoпродукции - сталь и ее внепечная обработка

Современная техника предъявляет все более и более высокие требования к качеству стали и металлоконструкций. В тех случаях, когда проведение операций, обеспечивающих необходимое качество металла, непосредственно в самом агрегате связано с потерей его производительности и недостаточно результативно, операции переносят в ковш или в другую вспомогательную емкость. Проведение технологических операций вне плавильного агрегата называют вторичной металлургией (ковшевой металлургией, внеагрегатной обработкой, внепечной обработкой, ковшевым рафинированием и т.д.). Основную цель вторичной металлургии можно охарактеризовать как реализацию ряда технологических операций быстрее и эффективнее по сравнению с решением сходных задач в прочих сталеплавильных агрегатах. В настоящее время методами внепечной металлургии обрабатывают сотни миллионов тонн стали массового назначения, установки для внепечной обработки располагаются на всех заводах качественной металлургии. Обрабатыванию подвергают сталь, выплавленную в мартеновских печах, дуговых электропечах и конвертерах. Столь стремительное распространение в обширных масштабах внепечной обработки стали объясняется рядом причин:

1. Распространением метода непрерывной разливки стали, который, в свою очередь, для высокопроизводительной работы установок требует точного (и стандартного от плавки к плавке) регулирования температуры и химического состава металла. В результате практически вся сталь, подаваемая на установках непрерывной разливки, подвергается внепечной обработке.

2. Непрерывно повышающиеся масштабы производства сплавов нужного назначения, которые очень тяжело получить при обыкновенной технологии плавки.

3. Растущими масштабами производства сталей и сплавов с особо низким содержанием углерода.

4. Увеличением требований к качеству обычных сталей, выплавляемых в конвертерах и мартеновских печах.

5. Немаловажную роль в распространении новых методов вторичной металлургии играет и то обстоятельство, что эти методы позволяют коренным образом изменять структуру и тип нужных ферросплавов и рacкислитeлей в сторону существенного понижения требований к их составу и соответствующего их удешевления. В частности, использование способа аргоно-кислoрoднoй продувки позволило перерабатывать высокоуглеродистые ферросплавы и отказаться от использования дорогостоящих низкоуглеродистых ферросплавов.

6. Наличие в цехе агрегатов, в которых происходит внепечная обработка стали, позволяет понизить (или вообще исключить) проведение периода доводки непосредственно в сталеплавильных агрегатах. Особенно это актуально для дуговых и мартеновских печей. Соответственно повышается производительность этих агрегатов, снижается расход огнеупоров, топлива, электроэнергии и т.д. В результате внедрения методов внепечной обработки в современных электродуговых печах происходит лишь расплавление шихты, а все операции по доводке металла производятся в агрегатах внепечной обработки.

7. Современные методы внепечной обработки позволяют получать готовую сталь и металлопрокат с очень малым ("ультранизким") содержанием углерода (менее 0,003%) и азота (менее 0,003 %). В итоге стало возможным появление нового класса сталей - так называемых IF-сталей (от англ. Interstitial Free Steels). Bвод в сoстав этих сталей небольших количеств карбидо- и нитридообразующих элементов (таких как титан, ниобий, бор) позволяет целиком и полностью исключить наличие свободных атомов внедрения - углерода и азота -- в кристаллической решетки при любых условиях охлаждения после прокатки и термической обработки и значительно увеличивает пластические свойства, деформируемость и штампуемoсть металлопродукции.

2.1 Способы и методы внепечной обработки стали в металлургии

Методы внепечной обработки стали могут быть условно поделены на простые (обработка одним способом) и комбинированные (обработка металла несколькими способами одновременно). К простым методам внепечной обработки стали относятся:

-обработка металлa вакуумом;

-продувка инертным газoм;

-обработка стали синтетическим шлаком в ковше;

-введение реагентoв в глубь металла;

-продувка порошкообразными материалами.

Важнейшими недостатками перечисленных простых способов обработки стали являются:

-необходимость перегрева жидкого металла в плавильном агрегате для компенсирования снижения температуры металла при обработке в ковше;

-ограниченность воздействия на сталь (только десульфурация или только дегазация и т.п.).

Наиболее хорошие последствия воздействия на качество стали достигаются при применении комбинированных методов внепечной обработки стали, когда в одном или нескольких, последовательно расположенных агрегатах, происходит ряд операций. Для их осуществления оказывается необходимым усложнять устройство ковша и использовать более сложное оборудование. При решении вопроса о выборе нужного оборудования критичным является предпочтение той или иной технологии обработки металла. Несмотря на многоплановость задач, стоящих при решении проблемы повышения качества стали (а значит и повышения качества металлопроката, металлоконструкций) методами вторичной металлургии, применяемые при этом технологические приемы немногочисленны и по существу сводятся к интенсификации следующих процессов:

1. Взаимодействия металла с жидким шлаком или твердыми шлакообразующими материалами (активное размешивание особой мешалкой, продувкой газом, вдуванием твердых шлакообразующих материалов непосредственно в массу металла, электромагнитное перемешивание и т.п.).

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

3. Взаимодействия с входящими в ванну материалами для раскисления и легирования (подбор комплексных раскислителей наилучшего состава; введение реагентов в глубь металла в виде порошков, блоков, специальной проволоки; с применением патронов, выстреливаемых в глубь металла; искусственное перемешивание для улучшения условий удаления продуктов раскисления и т.д.; организация тем или иным способом перемешиивания ванны, интенсификация процессов массопереноса -- непременное условие эффективности процесса).

Внепечная обработка стали и сплавов комбинированными методами производиться несколькими способами:

-в обыкновенном сталеразливочном ковше с футеровкой из шамота и с вертикальным стопором;

-в сталеразливочном ковше с футеровкой из основных высокоогнеупорных материалов и стопором шиберного типа;

-в сталеразливочном ковше, снабженном крышкой;

-в сталеразливочном ковше, оборудованном для вдувания газа или газопорошковой струи снизу, через смонтированные в днище устройства;

-в агрегате-ковше с крышкой (сводом), через которую опущены электроды, нагревающие металл в процессе его обработки;

- в агрегате типа конвертера, с продувкой стали кислородом, аргоном, паром; в агрегате типа конвертера, снабженном оборудованием для вакуумирования расплава и т.д.

В следствии внепечной обработки стали значительно повышается качество металлопроката и прочей металлопродукции.

2.2 Внепечное рафинирование стали в металлургии

Процесс рафинирования стали - обработка стали вакуумом в металлургии влияет, как известно, на протекание некоторых реакций и процессов, в которых принимает прямое участие газовая фаза.

Газовая фаза образуется, зачастую, при прохождении реакции окисления углерода (образование СО), при протекании процессов выделения растворенных в металле водорода и азота, а также процессов испарения примесей цветных металлов.

В стали практически всегда содержится определенное количество карбонатов. Равновесие реакции

[С] + [О] = CO газ, К = Pсо/а[C]а[O] (3)

при обработке вакуумом сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя оксид углерода.

В тех случаях, когда кислород в сплаве находится в составе оксидных неметаллических включений, снижение давления над расплавом приводит в результате взаимодействия с углеродом к частичной или полной деструкции этих включений:

(MeO) + [C] = Me + CO газ (4)

Наименее сильные включения, такие например, как MnO или Cr2O3, восстанавливаются почти целиком; для восстановления более прочных включений, таких, например, как Al2O3 или TiO2, требуется очень сильный вакуум.

Снижение содержания кислорода в сплаве ("окисленности" металла) при обработке вакуумом за счет реакции окисления углерода получило название "углеродное раскисление стали". Обработка стали вакуумом влияет и на содержание в металле водорода и азота. Выше было сказано, что содержание водорода в стали определяется при прочих равных условиях давлением водорода в газовой фазе. При понижении давления над расплавом равновесие реакции 2[Н] = Н2газ сдвигается вправо. Водород в жидкой стали отличается большой подвижностью, коэффициент диффузии его достаточно велик (DH = 1,2-1,5 * 10-3 см/с), и в результате вакуумирования металлопродукции значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из сплава.

Равновесие реакции 2[N] = N2газ при снижении давления также сдвигается вправо, однако азот в стали менее подвижен, коэффициент диффузии его в жидком железе на порядок меньше, чем водорода [D = (1*4) * 10-4 см/с], в результате интенсивность очищения сплава от азота под вакуумом значительно ниже, чем от водорода. Требуются более глубокий вакуум и продолжительная выдержка, чтобы достигнуть заметного очищения металла от азота.

Так как вакуумизация металла не дает значительной степени дегазации, рекомендуется одновременно с ней проводить продувку инертными газами. Данный способ значительно увеличит коэффициент полезного действия дегазации, как за счет продувки, так и за счет движения масс металла в вакууматоре, что позволит наиболее рационально использовать данный способ обработки металла и увеличить процент дегазации.

Процесс очищения металла от водорода и азота под вакуумом ускоряется одновременно проходящим процессом выделения пузырьков окиси углерода. Эти пузырьки интенсивно перемешивают сталь и сами являются маленькими "вакуумными камерами", так как в пузырьке, состоящем только из СО, парциальные давления водорода и азота равны нулю. Таким образом, при обработке стали вакуумом в нем уменьшается содержание растворенных кислорода, водорода, азота и содержание оксидных неметаллических включений; в результате выделения большого количества газовых пузырьков сталь перемешивается, становится однородным, происходит "гомогенизация" расплава, соответственно мтеллопрокат и металлопродуция из таких сталей будет более высококачественной.

Помимо того, в тех случаях, когда сталь содержит в высоких концентрациях примеси цветных металлов (свинца, сурьмы, олова, цинка и др.), заметная часть их при обработке вакуумом испаряется.

Необходимо знать, что при обработке вакуумом испаряется также и железо и полезные примеси (очень интенсивно, например, испаряется марганец). Однако эти потери становятся ощутимыми лишь при очень глубоком вакууме и очень длительной выдержке.

Продувка стали инертными газами.

Такой вид рафинирования стали как продувка металла инертными газами в известной мере влияет на качество готовой металлопродукции так же, как обработка вакуумом. При продувке инертными газами массу стали пронизывают тысячи пузырьков инертного газа (обычно аргона). Каждый пузырек представляет собой маленькую "вакуумную камеру", так как парциальные давления водорода и азота в таком пузырьке равны нулю. При продувке инертным газом происходит иненсивное перемешивание сплава, усреднение его состава; в тех случаях, когда на поверхности металла наведен хороший шлак, перемешивание облегчает протекание процесса ассимиляции таким шлаком неметаллических включений; если этот шлак имеет высокую основность (а также малую окисленность) происходит и десульфурация стали.

Когда необходимо получить сталь с особо низким содержанием углерода (например, особо качественную нержавеющую сталь или металлопрокат), кислород, подаваемый для продувки ванны, разбавляют инертным газом, при этом равновесие реакции O2 + 2[С] = 2СОгаз сдвигается вправо, так как в газовой фазе в составе продуктов реакции, кроме оксидов углерода, будет находиться и инертный газ, и парциальное давление Pсо уменьшится. Масса пузырьков инертного газа сама облегчает процессы газовыделения, так как эти пузырьки являются готовыми полостями с развитой поверхностью раздела для образования новой фазы.

Необходимо иметь в виду, что продувка стали инертным газом сопровождается снижением температуры сплава (газ нагревается и интенсивно уносит тепло), поэтому ее часто используют для регулирования температуры металла в ковше.

Технически операция продувки больших масс металла инертными газами в ковше проще и дешевле, чем обработка стали вакуумом, поэтому там, где это возможно, продолжительная по времени продувка инертными газами, проводимая через пористые пробки в днище ковша или через полый стопор, заменяет обработку вакуумом. Во многих случаях продувку стали инертным газом проводят одновременно с обработкой вакуумом, так как вызываемое продувкой энергичное перемешивание металла ускоряет процессы вакуумирования, делает вакуумирование более эффективным. В качестве инертного газа чаще всего используют аргон. Когда это возможно, при производстве стали простых марок для металлопродукции обычного качества, невысоких температурах, аргон заменяют более дешевыми газами (азотом или даже паром).

Таким образом при продувке стали инертными газами достигают:

-энергичного перемешивания сплава, облегчения протекания процессов удаления в шлак нежелательных примесей;

-усреднения состава металла; уменьшения содержания газов в стали;

-облегчения условий протекания реакции окисления углерода;

-снижения температуры металла.

Перемешивание стали синтетическим шлаком в металлургии.

Перемешивание стали со специально приготовленным ("синтетическим") шлаком также является способом рафинирования стали и позволяет интенсифицировать переход в шлак тех вредных примесей, которые удаляются в шлаковую фазу: серы, фосфора, кислорода (в виде оксидных неметаллических включений). В тех случаях, когда основная роль в удалении примеси принадлежит шлаковой фазе, скорость процесса пропорциональна величине площади межфазной поверхности.

Обычно способ обработки стали синтетическим шлаком используют прежде всего для удаления серы, поэтому основой искусственно синтетического шлака является СаО; для снижения температуры плавления в состав шлаковой смеси вводят Al2О3 или другие добавки. Поскольку в таком шлаке практически нет оксидов железа, он является одновременно хорошим раскислителем. Если ставится задача очистки сплава от неметаллических включений определенного состава, то соответственно подбирают состав синтетического шлака. Во всех случаях задача заключается, во-первых, в получении шлака нужного состава и, во-вторых, в разработке способа получения максимальной поверхности контакта шлаковой и металлической фаз.

Продувка стали порошкообразными материалами в металлургии.

Такое рафинирование сплава как вдувание в сталь порошкообразных материалов также имеет целью обеспечить максимальный контакт вдуваемых твердых реагентов с металлом. Вместе с тем положительная сторона метода состоит в том, что реагент в сталь вдувается струей газа-носителя, который сам оказывает определенное воздействие на сталь. Газомносителем может быть и окислитель (например, кислород или воздух), и восстановитель (например, природный газ), и нейтральный газ (например, аргон). Для удаления фосфора в струе кислорода в сталь вдувают твердую смесь, состоящую из извести, железной руды и плавикового шпата, для удаления серы в металл вдувают в струе аргона смесь извести и плавикового шпата.

Плавиковый шпат вводится в состав смесей для повышения жидкотекучести шлака. Этим способом можно вдувать в сталь (в струе нейтрального или восстановительного газа) такие сильнодействующие реагенты, которые из-за больших энергий взаимодействия и соответствующего пироэффекта обычными способами вводить в сталь нельзя (кальций, магний) или из-за их вредного действия на здоровье опасно (свинец, селен, теллур).

Ускоренная или направленная кристаллизация сплава имеет целью улучшить структуру слитка, ликвидировать или уменьшить ликвацию, центральную рыхлость и пористость и тому подобные пороки. Скорость кристаллизации слитка стали пропорциональна разности температур у фронта кристаллизации и на поверхности слитка. Чем больше масса слитка, тем медленнее он кристаллизуется и тем сильнее в обычных условиях развиваются ликвационные и другие неприятные явления.

Искусственное охлаждение слитков стали (применяемое, например, при непрерывной разливке стали) ускоряет процесс кристаллизации и положительно влияет на качество слитка. Регулируя время пребывания металла в жидком состоянии в изложнице или кристаллизаторе и интенсивность охлаждения металла, можно обеспечить получение такого слитка, у которого вообще не будет центральной менее плотной и более обогащенной ликватами зоны беспорядочно ориентированных кристаллов.

Обычно для интенсивного охлаждения поверхности слитка (непосредственно или через стенки кристаллизатора) пользуются водой.

Эти общие положения рафинирования стали на практике реализуют в результате использования того или иного способа и агрегата из большого многообразия методов повышения качества выплавляемых сталей и конечной металлопродукции (стальных профилей, уголков, листов и других видов металлопроката).

кислород азот сталь вакуумирование



2.3 Рафинирование стали при разливке

Разливка стали на ДСП происходит следующим образом: из сталеплавильных печей полученную сталь выпускают в сталеразливочный ковш, предназначенный также для последующей разливки металла в слитки или заготовки. Кожух ковша выполняется из листовой стали. Изнутри ковш футеруется шамотным кирпичом. В днище ковша имеется отверстие, в которое для каждой плавки вставляется огнеупорный сталеразливочный стакан; через отверстие стакана осуществляется разливка стали из ковша.

Конструкция шиберного затвора: верхняя неподвижная огнеупорная плита, находящаяся в металлической обойме, своим выступом входит в паз сталеразливочного стакана. Нижняя огнеупорная плита с коллектором, организующим и направляющим струю, вставлена в подвижную обойму, которая с помощью штока соединена с гидроцилиндром. Плиты тщательно пришлифованы друг к другу. Для обеспечения необходимого скольжения рабочие поверхности покрывают смазкой из графита и масла. Подвижная плита прижимается к неподвижной четырьмя нажимными болтами или пружинами. Это необходимо для предотвращения затекания в зазор между ними металла, так как малые количества затекающего металла быстро застывают и, затрудняют перемещение подвижной плиты, тем самым нарушая нормальную работу шибера. Перемещаясь с помощью гидравлического, электрического или пневматического механизмов, подвижная плита открывает, дросселирует и перекрывает канал затвора. Стойкость шиберных затворов в первую очередь зависит от качества огнеупорных плит.

Метод фильтрационной очистки металла от неметаллических включений при таком способе литья довольно прост. Основой для применения фильтрационной очистки металла является стакан, через который производится выпуск стали. Стакан представляет собой огнеупорное изделие трубчатой формы, устанавливаемый в днище сталеразливочного ковша для выпуска жидкого металла, а также используется для подвода жидкого металла в изложницу или кристаллизатор. При таком расположении и простоты данной технологии разливки металла, целесообразно расположить фильтрующий элемент непосредственно в стакане, увеличив его выпускное отверстие и заполнив его фильтрующим элементом. Соответственно и установка фильтрующего элемента происходит при подготовке ковша к разливке и установки шиберного устройства, тем самым фильтрующий элемент «интегрируется» в разливочный стакан.

Разливочный стакан содержит по существу три секции. Верхняя секция разливочного стакана имеет форму по существу имеющей круглое поперечное сечение трубы, заканчивающейся на своем самом верхнем крае в отверстии. Под верхней секцией средняя секция расширяется наружу в плоскости, параллельной оси разливочного стакана, и сплюснута в перпендикулярной плоскости. Под средней секцией находится нижняя секция, содержащая наклонные выходы, и осевой выход. Разумеется, фильтрующий элемент будет выполнен по всему сечению разливочного стакана. Разливочный стакан изготовляют обычно из высокоглиноземистых и циркониевых материалов. Такие материалы обладают хорошей эрозионной стойкостью к расплаву шлакообразующей смеси, стойкие к тепловым ударам, затягиванию и зарастанию канала, а также термически прочные.

В качестве фильтрующего элемента может применяться как пенокерамика, так и керамика, что обусловлено тем, что данная технология применима только для разливки малой емкости (5 - 8 т), что в свою очередь связано с адгезионным процессом, происходящем в фильтре. Неметаллические включения прилипают к стенкам фильтра и друг к другу, образовывая «фильтровальные мосты», закрепленные на стенках фильтра. Поэтому в процессе литья фильтр постепенно забивается до полной непроходимости расплава, что недопустимо при разливке стали в больших объемах, но реализуемо при малотоннажном производстве.

Немаловажным является и нагрев фильтра. При данном способе фильтрационной очистки металла нагрев фильтра производится одновременно с нагревом разливочного ковша, при подготовке к разливке металла. Температура нагрева разливочного ковша с фильтрующим элементом должны быть не ниже 1100°C, чтобы предотвратить застывание металла в фильтре в процессе разливки.

Процесс разливки стали производится стандартным образом, а именно готовую сталь выпускают из печи в подогретый сталеразливочный ковш. Затем перемещаясь с помощью гидравлического механизма, подвижная плита открывает канал затвора и выпускают сталь в изложницы через погружаемый разливочный стакан с фильтрующим элементом. Здесь стоит отметить, что сама по себе роль погружаемого стакана состоит в том, что он служит для предотвращения вхождения расплавленной стали в контакт с воздухом при ее прохождении из промежуточного ковша в литейную форму, поскольку воздух приводит к окислению стали, что не желательно. Проходя же через фильтрующий элемент расположенный в стакане, будет происходить дополнительное улавливание неметаллических включений.

Однако данный способ фильтрационной очистки металла от неметаллических включений применим только для разливки металла малых объемов.

Принцип смены и установки нового разливочного стакана стандартный. Смена разливочного стакана производится при подготовке ковша к разливке металла.

Подготовка ковша к разливке производится следующим образом:

1) После каждой разливки ковш тщательно очищается от шлака и остатков металла, охлаждается и затем подготавливается к следующей разливке.

2) В гнездовой кирпич дна ковша плотно устанавливают стакан, обмазанный снаружи графитовой смесью, а затем огнеупорной массой. Ось стакана и ось ковша должны быть параллельны.

3) В зависимости от требуемой скорости разливки и марки сплава применяются стаканы с диаметром отверстия 40 или 50 мм.

4) В стакан устанавливается вкладыш с соответствующим диаметром отверстия.

5) Установка фильтрующего элемента.

6) Затем к днищу ковша устанавливают предварительно собранный и просушенный стопор.

7) Канал затвора прочищают, затем перекрывают и заполняют засыпкой, предупреждающей затекание металла и облегчающей открывание затвора первый раз. В качестве засыпки используют в зависимости от наличия ставролит, дистенсилиманитовый концентрат, зольно-графитовую смесь, молотый кокс, песок в смеси с графитом, шамотный порошок, хромистую руду, магнезитовый порошок и др. Материал засыпки должен быть совершенно сухим и по возможности более тяжёлым. Чтобы материал засыпки не загрязнял разливаемую сталь, затвор открывают над резервной ёмкостью.

Широкое применение шиберных затворов в сталеплавильных цехах обусловлено значительными их преимуществами перед стопорными дозаторами. К ним относятся высокая надёжность работы и регулирования скорости разливки, быстрота установки, механизация и сокращение трудоёмкого процесса, облегчение условий труда при подготовке ковша и разливке плавки. Расположение затвора снаружи ковша и контактирование плит со струёй металла только в момент разливки позволяет разогревать футеровку ковша перед приёмом плавки вплоть до 1400°С, сокращать потери тепла металлом, увеличивать продолжительность пребывания металла в ковше во время внепечной обработки и разливки. Сокращение периода подготовки ковша в 2 - 3 раза увеличивает оборот ковшей в цехе, уменьшает их общее количество, повышает стойкость футеровки из-за снижения термических напряжений, снижает расход огнеупоров. Дополнительно сокращается расход сталеразливочного припаса с соответствующим уменьшением затрат на транспортировку и складирование, особенно при многократном использовании шиберных плит. Через шибер практикуется вдувание аргона и рафинирующих порошкообразных материалов.

При использовании вышеизложенного метода возможна установка дополнительно разливочного стакана с фильтрующим элементом для обеспечения бесперебойной разливки металла. Для этого всего лишь достаточно установить дополнительное шиберное разливочное устройство, которое не требует сколько-нибудь значимого изменения технологии.

Вывод

Использование методик внепечной обработки значительно увеличит степень дегазации металлов и, соответственно качество оных. Представленные в данном тексте способы наглядно показывают, что качество исходного продукта обеспечивается благодаря их (способов) правильному и своевременному использованию.



3. Способы повышения качества металлопродукции - металл и его продувка инертными газами.

3.1 Металл и его продувка инертными газами - аргон

Продувка инертным газом - процесс необходимый для повышения качества металлопродукции и металлопроката. В металлургии получило промышленное распространение производство дешевого аргона в больших количествах (как сопутствующего продукта при производстве кислорода, как известно, в воздухе ~ 1 % Ar).

На кислородных станциях аргон выделяют при ректификации жидкого воздуха. Если металлургический завод имеет мощную кислородную станцию, то объем попутно получающегося аргона достаточен для того, чтобы обработать всю производимую сталь и тем самым повысить качество всего сортамента металлопродукции. В тех странах, где имеются запасы гелия, сталь продувают гелием.

Сталь не содержащая нитридообразующих элементов (хрома, титана, ванадия и т.п.), часто продувается азотом, т.к. при 1550--1600 °С процесс растворения азота в жидком железе не получает заметного развития. Расход инертного газа составляет обычно 0,1--3,0 м3/т стали. В зависимости от массы жидкого сплава в ковше снижение температуры стали при таком расходе аргона составляет 2,5-4,5 °С/мин (без продувки сталь в ковше охлаждается со скоростью 0,5-1,0 °С/мин).Тепло при продувке дополнительно затрачивается на нагрев инертного газа и излучение активно перемешиваемыми поверхностями сплава и шлака. Большая часть тепловых потерь связана с увеличением теплового излучения, поэтому такой прием, как накрывание ковша крышкой при продувке инертными газами позволяет заметно уменьшить потери тепла; при этом обнажающаяся при продувке сталь, имеет меньшую степень окисления. Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого ложного стопора (рис. 4). Продувочные устройства типа ложного стопора безопасны в эксплуатации, так как в схему футеровки ковша не нужно вносить никаких изменений, но они обладают малой стойкостью. В результате интенсивного движения металлогазовой взвеси вдоль стопора составляющие его огнеупоры быстро размываются.

...