Рафинирование на сегодняшний день

Весьма эффективно внепечное вакуумирование жидкой стали, осуществляемое различными способами в процессе разливки и позволяющее повысить качество металла, увеличить производительность сталеплавильных агрегатов и снизить расход раскислителей и легирующих материалов. Способ внепечного вакуумирования (в ковше, при переливании из ковша в ковш, порционный и циркуляционный способы) определяется массой плавки и назначением стали.

Практика работы некоторых заводов подтвердила, что при вакуумировании жидкой стали в камерах с высокой степенью разрежения улучшаются качество поверхности проката конструкционных и магнитные свойства электротехнических сталей, повышается чистота шарикоподшипниковой стали по неметаллическим включениям и т.д.

Развитие процесса внепечного вакуумирования жидкой стали позволит усовершенствовать процессы термической обработки легированного металла, а при производстве кипящей стали — улучшить качество металла, полученного на установка непрерывной разливки стали.

Количество стали, вакуумированной внепечным способом, в девятой пятилетке намечено увеличить в несколько раз. В ближайшие годы предусмотрено значительно увеличить мощности для внепечного вакуумирования жидкой стали и в первую очередь обеспечить обработку электротехнической стали, стали для автомобильного листа и стали, предназначенной для других целей с использованием глубокой вытяжки, шарикоподшипниковой и конструкционных легированных фло-кеночувствительных сталей, а также рельсовой и колесной.

В ближайшие годы предусмотрено установить ряд агрегатов для внепечного вакуумирования стали порционным и циркуляционным методами в ковшах емкостью 100—130 т, а также для вакуумирования в ковше с электромагнитным перемешиванием металла.

Намечено ввести в действие установки для внепечного вакуумирования стали в конвертерных цехах Челябинского и Ново-Липецкого металлургических заводов, в мартеновских цехах Магнитогорского и Орско-Халиловского металлургических комбинатов, металлургических заводов «Запорожсталь», Коммунарского, Ждановского им. Ильича и др. В новом конвертерном цехе № 2 Ново-Липецкого металлургического завода будут осуществлять внепечное порционное вакуумирование плавок массой 350 г. Предусматривается электрический обогрев камеры вакуумирования.

Внепечное вакуумирование обеспечивает в углеродистой стали с 0,2% С не более 0,001% О2, не более 0,0008% N2 и не более 0,000095% Н2; в углеродистой стали с 0,35% С содержание кислорода на 17,5% ниже, общее количество включений на 29% меньше, уровень механических свойств на 10—15% выше, чем в невакуумированной стали. Вакуумированиая рельсовая сталь не склонна к образованию флокенов.

По данным Уралмашзавода, вакуумирование мартеновской стали при разливке ее в крупные слитки позволило снизить содержание водорода на 50—60% (с 3,93 до 1,76 см3 на 100 г металла), азота на 22—25% (с 0,0051 до 0,0039%). При вакуумировании металла степень его загрязнения неметаллическими включениями значительно уменьшается, изменяется состав этих включений и распределение по сечению слитка, что улучшает качество поковок. Время охлаждения поковок после их термической обработки было сокращено на 30% вследствие пониженной флокеночувствительности, связанной с пониженным содержанием водорода после вакуумирования.

Дополнительные эксплуатационные и капитальные затраты на внепечное вакуумирование стали для поковок составили на Уралмашзаводе соответственно 1,5 и 4,6 руб. на 1 т стали, а экономия от сокращения брака поковок и длительности термической обработки выразилась в 36 руб. на 1 т стали.

По результатам работы, выполненной на заводе «Электросталь», установлено, что применение внепечного вакуумирования легированной стали марок 18Х2Н4ВА и Х18Н10Т снижает содержание кислорода, водорода и азота на 44,5; 40 и 31% соответственно. Поражённость внутренними дефектами, выявляемыми при ультразвуковом контроле, сокращается вдвое; сопротивление ударным нагрузкам в готовых изделиях возрастает на 12,5%; усталостная прочность увеличивается на 10—12%.

Внепечное вакуумирование стали марок 20ХНЗЛ, 40ХН и 40Х в условиях машиностроительного завода позволило уменьшить число непрерывнолитых заготовок с внутренними трещинами, осевой рыхлостью и поверхностными дефектами соответственно в 2,2; 1,3 и 1,4 раза. Содержание газов уменьшилось в 2 раза, неметаллических включений в 1,5 раза.

Одним из решающих условий улучшения качества, проката является снижение содержания серы в стали до минимально возможного количества. Сера является элементом, характеризующимся значительной ликвидацией при кристаллизации слитка. Степень этой ликвидации повышается при увеличении массы слитка в связи с большей продолжительностью его кристаллизации.

Слитки с повышенным содержанием серы при прокатке могут давать трещины из-за наличия легкоплавкой эвтетики, располагающейся по границам зерен. Эта фаза при нагреве под прокатку находится в жидком состоянии, что приводит к красноломкости, т. е, к ослаблению связи между зернами металла. В легированных сталях у сульфидов более сложный состав, в них входят и сульфиды легирующих элементов. В углеродистой стали сульфиды находятся в виде FeS (31,1%) и MnS (63,2%). Сернистые включения могут способствовать образованию трещин в процессе обработки и службы деталей, изготовленных из стали с повышенным содержанием серы. Одной из причин более высоких механических свойств электростали по сравнению с мартеновской является меньшее содержание серы и кислорода.

Имеющиеся данные по исследованию микроструктуры петравленых шлифов свидетельствуют о том, что сульфиды (различных составов в зависимости от химического состава стали) располагаются по границам зерен. При повышении содержания серы понижается пластичность металла и в некоторой степени ухудшается качество поверхности проката.

Решающим условием уменьшения содержания серы в металле является обработка его жидкими синтетическими шлаками в сталеплавильных цехах, при которой во время выпуска плавки значительно увеличивается поверхность раздела металла со шлаком, вследствие этого сера с достаточно высокой скоростью переходит из металлической фазы в шлаковую. В тех случаях, когда невозможно использовать этот процесс, десульфурацию следует осуществлять на всех переделах: при агломерации железных руд и концентратов, в доменном и сталеплавильном производствах, при электрорафинировочных переплавах.

В последнее время все большее распространение получает внепечная десульфурация чугуна.

Обработка стали синтетическими шлаками позволяет значительно снизить содержание серы в металле и, следовательно, способствует улучшению качества проката. Поэтому в ближайшие годы намечено значительно увеличить производство стали, обработанной такими шлаками.

На заводах, где не применяется обработка стали синтетическими шлаками, большое значение имеет обессеривание чугуна. На ряде металлургических заводов, в том числе «Азовсталь» и Макеевском, широко применяют вне-доменное обессеривание чугуна обработкой магнием (гранулами, чушками). Сталь и прокат, полученные из такого чугуна, характеризуются меньшим содержанием серы.

Одним из эффективных средств улучшения качества металла является обработка его синтетическими шлаками. При этом способе необходимое количество шлака сливают в ковш, а затем на этот шлак с большой высоты мощной струей выпускают из печи сталь, что обеспечивает быстрое протекание реакции взаимодействия между металлом и шлаком. Применение такой обработки не только повышает качество стали, но и увеличивает производительность сталеплавильных печей примерно на 10%.

В результате проведенных исследований установлены следующие основные преимущества стали, рафинированной синтетическими шлаками, по сравнению с нерафинированной:

1) меньшее содержание серы (в 2—3 раза) и кислорода (на 30—50%);

2) меньшее количество неметаллических включений (в 2—4 раза) и степень пораженности волосовинами (в 5—10 раз в зависимости от марки стали);

3) пониженная анизотропия механических свойств;

4) большая ударная вязкость легированных конструкционных сталей при комнатной (в 1,5—2,0 раза) и низких (~ в 1,5 раза) температурах;

5) значительно меньшая склонность к хрупкому разрушению и больший запас пластичности до момента разрушения. Способность стали к деформации в наиболее тяжелых условиях объемно-напряженного состояния при температурах горячей механической обработки повышается на 30—40%;

6) большее количество энергии (на 30%), затрачиваемой для разрушения стали;

7) значительно меньшая склонность стали к кристаллизационным трещинам в процессе сварки; это позволяет увеличить скорость сварки и расширить диапазон применения высокопроизводительной электрошлаковой сварки. Весьма важным обстоятельством, особенно для конструкций, применяемых в условиях Севера, является то, что металл в значительно меньшей степени подвержен хрупкому разрушению в процессе сварочного цикла и ударная вязкость околошовной зоны возрастает в 2—3 раза.

Улучшение свойств металла при обработке его синтетическими шлаками характеризуется следующими данными:

1) у стали марок 40ХНМА, ЗОХГСА и ЗОХГСНА уменьшается анизотропия по ударной вязкости, снижается суммарное содержание серы и фосфора до 0,015%;

2) у стали марки 12Х1МФ повышается пластичность (число оборотов до разрушения) при 1150—1200° С;

3) у стали марки 17ПС увеличивается ударная вязкость на поперечных и продольных образцах в 1,5 раза, повышается хладостойкость, снижается содержание серы, фосфора, кислорода и водорода.

Установлено, что обработка в ковше синтетическими шлаками стали марки Х18Ы10Т, выплавленной в 100-т электропечах, повышает се пластичность при горячей прокатке трубной заготовки и труб. Обработка в ковше синтетическим шлаком стали марки Х5М, полученной также в 100-7' электропечах, обеспечивает повышение механических свойств трубной заготовки. Брак труб из металла, обработанного синтетическим шлаком, снизился в 1,4 раза для стали марки Х5М и в 1,6 раза для стали марки Х18Н10Т по сравнению с металлом плавок, необработанных синтетическими шлаками.

В случае применения внепечного вакуумирования в сочетании с обработкой синтетическим шлаком и раскислением кремнием и алюминием стали марки ШХ15 было установлено, что содержание водорода снизилось до 1,7—2,7 см3 на 100 г металла, кислорода — до 0,001 — 0,002%, серы —до 0,002—0,007%.

В случае применения рафинирования жидкими синтетическими шлаками необходимо иметь в виду назначение стали и методы ее обработки у потребителя. Так, поданным Московского института стали и сплавов (МИСиС) имеют место случаи снижения на 10—20% производительности металлорежущих станков при обработке некоторых низколегированных сталей, применяемых в автомобилестроении, из-за их повышенной пластичности.

Рафинирование стали синтетическими шлаками в ковше применяют на металлургических заводах Челябинском, Златоустовском, «Днепроспедсталь», Серовском, Ижевском и др. В девятой пятилетке предусмотрено увеличить количество такой стали в 3 раза.

Весьма эффективным средством борьбы с окислением во время разливки является защита струи, вытекающей из ковша, и поверхности металла, поднимающегося в изложнице, инертными газами, например аргоном. В результате разливки стали в атмосфере аргона снижается содержание кислорода (в 1,5—1,8 раза) и неметаллических включений. Сталь становится более плотной. Улучшаются ее пластические свойства и качество поверхности слитков; значительно повышается предел усталостной прочности.

Продувка мартеновской стали аргоном через днище ковша с одновременной обработкой синтетическим шлаком освоена на Златоустовском металлургическом заводе по технологии, разработанной совместно с Челябинским научно-исследовательским институтом металлургии. В результате интенсивного перемешивания стали инертным газом увеличивается поверхность соприкосновения металла со шлаком, что приводит к более эффективному использованию рафинирующих свойств синтетического шлака. По сравнению с обычной технологией рафинирования комплексная обработка мартеновской стали инертным газом и синтетическим шлаком в ковше позволяет снизить содержание водорода на 14%, серы на 10%,кислорода на 31% и азота на 16%, а также улучшить пластичность и ударную вязкость на продольных и поперечных образцах.

Обработка жидкого металла в ковше твердой шлакообразующей смесью с одновременной продувкой аргоном, как показали результаты исследований Уральского научно-исследовательского института черных металлов и опыт работы Белорецкого металлургического комбината, снижает содержание серы в канатной и инструментальной сталях на 20—50%, фосфора на 10—37%, кислорода на 27%, водорода на 11%, азота на 9—16%; количество неметаллических включений уменьшается на 10%; пластичность металла значительно повышается, что особенно важно при волочении проволоки малых диаметров, например для металлокорда.

Для дальнейшего повышения качества стали некоторых марок предполагается применять совмещенные процессы внепечного рафинирования: обработку вакуумом и жидким синтетическим шлаком в ковше; рафинирование синтетическим шлаком и продувку инертными газами в ковше; раскисление и легирование жидкими лигатурами с одновременным рафинированием жидким синтетическим шлаком в ковше.

Чтобы обеспечить запланированный рост производства стали, подвергаемой обработке синтетическими шлаками, и расширить сортамент проката, изготовляемого из такой стали, предусмотрено создание мощностей для производства полупродукта и выплавки из него шлака. Шлакоплавильные печи намечено ввести в действие в ближайшие годы на металлургических заводах «Красный Октябрь», Ново-Липецком, Западно-Сибирском, им.Петровского и Коммунарском, а также на Орско-Халиловском металлургическом комбинате. Значительные мощности по выплавке полупродукта предусматривается ввести на Ермаковском заводе ферросплавов.

При расчете необходимых количеств шлака и полупродукта исходят из расхода 40 кг шлака на 1 т стали (4%) и 45% полупродукта па 1 т шлака.

Список литературы:

Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. – М.: Машиностроение, 2007. – 384 с.: ил. ISBN 5-217-00241-1

Циммерман Р., Гюнтер К. Металлургия и материаловедение. Справ изд. Пер. с нем. М.: Металлургия, 2012. 480 с.

Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение: Учебник для вузов. - М.: МИСИС, 2005. - 600 с. - УДК 669.017

Кудрин В.А. Металлургия стали. - М.: Металлургия, 2005 г. - 488 с.

Дата добавления: 2015-05-08