Внепечная обработка стали

В настоящее время внепечная обработка (ВО) является ключевым звеном современных процессов получения качественной стали. Наиболее широко ВО используется при производстве стали для подшипников, высокопрочных конструкционных марок для нужд судостроения, газонефтяного комплекса (особенно для изделий, работающих в условиях Севера), флокеночувствительной, с особо низким содержанием углерода и неметаллических включений для автомобильной промышленности, электротехники, высокохромистых коррозионных сталей и сплавов.

Основная цель ВО состоит в более быстром и эффективном, чем в сталеплавильной печи, проведении некоторых технологических операций.

Совокупность всех разработанных на сегодняшний день методов внепечной обработки позволяет решать следующие задачи сталеплавильного производства:

1. Существенное повышение чистоты металла, эффективная подготовка металлического расплава к кристаллизации с помощью глубокого комплексного рафинирования от вредных примесей, микролегирования и модифицирования неметаллических включений, точного регулирования химического состава, выравнивания температуры металла и др.

2. Повышение производительности основных сталеплавильных агрегатов.

3. Большая гибкость и мобильность в проведении технологических операций.

4. Энерго- и ресурсосбережение.

По функциональной направленности многочисленные способы ВО можно разделить на четыре основные группы:

1. Методы перемешивания с усреднением температуры и химического состава расплава.

2. Методы введения порошкообразных реагентов, раскислителей и микролегирующих элементов.

3. Вакуумная обработка.

4. Методы комплексной обработки с подогревом на установках ковш – печь.

Методы перемешивания. Перемешивание металла путем продувки аргоном или азотом, а также электромагнитное перемешивание расплава являются простыми, дешевыми и самыми распространенными способами внепечной обработки (рис. 39.)

Продувку металла в ковше инертным газом осуществляют через погруженную фурму (либо фурмы, расположенные тангенциально в нижней части ковша) (рис.39, а), а также через пористые пробки, швы и вставки, установленные в днище ковша (рис.39, б). В первом случае не требуется вводить никаких конструктивных изменений в устройство футеровки ковша, но трудно обеспечить пузырьковый режим перемешивания расплава по всему объему. Это успешно достигается при использовании одной или нескольких пористых пробок из спеченного муллита (70 % Al₂O₃) или периклаза (95 % MgO), стойкость которых достигает 15 - 20 плавок. Средняя интенсивность подачи газа для продувки 0,01 - 0,05 м³/т, продолжительность 5 - 10 мин.

В процессе САS (Composition Adjustment by Sealed Argon) (рис. 39, в) поверхность металла защищена слоем синтетического шлака, а легирование и раскисление проводят в нейтральной атмосфере через выполненный из высокоглиноземистых огнеупоров погружной колпак. Для химического подогрева металла со скоростью 5 – 15 ^оС/мин во время обработки в расплав вдувают сверху кислород и одновременно вводят алюминиевый порошок (CAS – OB (Oxygen Blowing)- процесс).

По сравнению с продувкой инертным газом электромагнитное перемешивание металла (рис. 39, г) более надежно и безопасно, обладает гибкостью и точностью регулирования режима, но ухудшается интенсивность массообмена металлической и шлаковой фаз и невозможно удалить растворенный в металле водород с пузырьками аргона.

Процесс пульсационного перемешивание РМ (Pulsation Mixing) позволяет более равномерно и интенсивно перемешивать весь объем жидкой стали. Огнеупорный полый цилиндр, соединенный с вакуумным насосом и газопроводом погружается в ковш с жидкой сталью (рис. 39, д). Давление в цикле вакуумирования, когда металл поднимается в цилиндр 50 кПа, а в цикле вытекания 150 кПа. Время обработки составляет 15 мин.

Методы введения порошкообразных реагентов, раскислителей и микролегирующих добавок. Эти методы «инжекционной металлургии» широко используются практически во всех промышленно развитых странах и предназначены для максимального очищения металла от вредных примесей. Вдувание порошкообразных материалов (крупностью до 2 мм) производится в токе инертного газа через погруженные в расплав фурмы разнообразных конструкций (рис. 40). Наибольшее распространение получил способ, который изображен на рис. 40, а.

Сущность технологии состоит во вдувании в ковш, заполненный металлом (накрытом крышкой или без крышки, сбоку, снизу и т.д.), различных смесей в струе газа. В качестве порошков используются различные смеси: CaSi + CaO + CaF₂, CaO + CaF₂, Mg + CaO + CaF₂, карбидов Са и Мg в гранулированном виде и др. Время вдувания порошка составляет 15 мин., затем металл перемешивается аргоном в течение 10 мин.

Вакуумная обработка. Металлургическая продукция для изделий ответственного назначения, не прошедшая вакуумирование на стадии производства, в современных условиях пользуется на рынке все меньшим спросом. Рост объемов вакуумированной стали значителен и по прогнозам на 2010 г. около 27 % всей выплавляемой стали должно обрабатываться в вакууме.

Существующие методы вакуумирования делятся на три группы (рис. 41):

1) струйное вакуумирование при выпуске металла из сталеплавильного агрегата в ковш, при переливе из ковша в ковш, при разливе в изложницу или на МНРС (рис. 41, а);

2) вакуумирование в ковше с электромагнитным перемешиванием или продувкой инертным газом (рис. 41, б);

3) вакуумирование отдельных порций металла вне ковша в вакуум-камере (рис. 41, в, г).

Вакуумирование стали при выпуске из печи и при переливе из ковша в ковш не получило широкого распространения из-за технических сложностей и большой потери температуры жидким металлом (до 40 – 90 ^оС). Струйное вакуумирование применяют, в основном, при отливке в изложницы крупных слитков массой до 500 т и более для ответственных поковок коленчатых и гребных валов судов, роторов турбин, генераторов, прокатных валков.

Вакуумирование стали в ковше, помещенном в специальную вакуумную камеру или закрытом герметичной крышкой, является наиболее простым способом вакуумной обработки жидкого металла. Двумя основными способами вакуумирования отдельных порций металла в вакуум-камере вне ковша являются разработанные в ФРГ: порционное вакуумирование и циркулярное вакуумирование. В России установка циркуляционного вакуумирования успешно работает на Ижевском металлургическом и других заводах. Преимущества этих методов следующие:

- простота конструкций и их технического обслуживания;

- высокая производительность (время обработки 8-20 мин);

- технологическая гибкость проводимых операций;

- малые потери тепла;

- возможности физического и химического подогрева металла.

Комплексная обработка стали. Комбинированные способы ВО осуществляют в агрегатах ковш – печь, позволяющих при необходимости выдерживать металл в ковше с заданной температурой перед разливкой длительное время.

Большое распространение получает новое поколение агрегатов ковш – печь, конструкция которых обеспечивает проведение процессов обработки практически всех марок сталей в оптимальном режиме. Такие агрегаты за рубежом получили название LF (Ladle – Furnace), а у нас в стране АКОС (агрегат комплексной обработки стали). Они включают систему точного легирования и корректировки состава, устройства для вдувания порошков и введения проволоки, отбора проб, контроля температуры расплава в пределах ± 2^оС, эффективную очистку отходящих газов.

Установки ковш – печь потребляют 20 - 30 кВт^.ч/т электроэнергии и 0,2 -0,35 кг/т электродов; скорость нагрева металла 2 – 5 ^оС/мин; время обработки 25 - 40 мин. Стоимость таких установок составляет 6 - 13 млн. долларов из-за высокой степени автоматизации, но себестоимость стали, прошедшей такую комплексную обработку, может снижаться за счет повышения производительности сталеплавильных печей, снижения энергетических затрат, повышения качества и расширения сортамента металлопродукции.

Ниже приведены технико-экономические показатели применения установок внепечной обработки:

Повышение производительности мощных ДСП, %	20 - 30
Сокращение брака по неметаллическим включениям и несплошностям, %	30 - 50
Сокращение брака по химическому составу, %	50 - 70
Сокращение расхода ферросплавов, кг/т:
ферросилиция	3 - 4
ферромарганца	2 - 3
феррохрома	5 - 25
ферротитана	8 - 10
Увеличение усвоения легирующих элементов и раскислителей (среднее/максимальное), %
Углерода	30/50
Алюминия	30/40
Кремния	10/20
Титана	20/50
Удаление вредных примесей до уровня менее (среднее/минимальное),%:
Кислорода	25/10
водорода	1,5/1
серы	50/5
фосфора	35/5
Сокращение расхода электродов, кг/т	3 - 4
Сокрашение электроэнергии, %	5 10
Стабилизация пределов отклонения температуры разливки на МНРС (среднее/минимальное), оС	± 5 / ± 2

В России используют все указанные выше способы внепечной обработки, но в меньшем, чем в промышленно развитых странах, объеме. Помимо ограниченных инвестиций ситуация осложняется затруднениями в установке агрегатов в старых цехах, а также отсутствием специализированной базы для их изготовления.