Внепечное рафинирование стали реферат

Обновлено: 08.07.2024

С помощью внепечной обработки стали достигаются лучшие показатели пластичности металла, а также уменьшается анизотропия физико-механическая показателей проката и слитка. Это достигается за счет снижения нежелательных примесей, неметаллических включений и газов. Между тем, было замечено, что часто после внепечной обработке стали улучшение свойств этого металла наблюдается без изменения его состава, то есть содержание в нем неметаллических включений и газов остается прежним. Именно этот момент стал в последние годы основанием для проведения ряда исследований.

Во всех случаях внепечной обработке стали, расплавленный металл интенсивно и длительно подвергается перемешиванию. Принято считать, что это приводит к росту макро - однородности расплава металла по температуре и составу. Однако существует мнение, что при длительном перемешивании расплавленного металла достигается также и микро равновесие расплавленной стали. Возможно, что состояние расплава, приближенное к микроскопическому равновесию повлечет за собой изменения структурно-чувствительных (физических свойств стали) и улучшит качественную характеристику рафинированного металла. К сожалению, исследований для определения физических свойств и качеств металлических расплавов до внепечной обработке стали и после нее, сделано недостаточно.

Известно, что качество металла, напрямую зависит от продолжительности продувки. С увеличением времени продувки макроструктура поперечных темплетов, становится более однородной и плотной. При этом уменьшается усадочная рыхлость и центральная пористость стали. Неметаллические включение в сталь, становятся более мелкими и количество их снижается. Исследуя с помощью электронных микроскопов изломы поперечных и продольных образцов, показали, что до продувки на плавках вместе с вязкими , находится и довольно крупные участки хрупкого разрушения. Это связано с наличием достаточно крупных, неметаллических включений. После того, как металл продувают газом, число включений в ковше резко уменьшается. Эти наблюдения значительно обусловливают повышение качества стали после продувки газом. Длительность обработки изменяет физические свойства стали , поэтому можно выбирать оптимальные значения плотности, вязкости расплава, которые зависят от продолжительности обработки.

Внепечное рафинирование стали

Если еще 20 лет назад все процессы рафинирования осуществлялись непосредственно в сталеплавильных агрегатах, то в настоящее время многие из этих функций вынесены из агрегата в ковш. В цепочке выплавка стали в агрегате—разливка стали появилось промежуточное звено—внепечная обработка стали. Все современные сталеплавильные цехи в большей или меньшей степени оборудованы различными установками для рафинирования стали в ковше. В задачи отделений внепечной обработки стали входят раскисление, легирование, усреднение металла по составу и температуре, десульфурация, дегазация и модифицирование. (Под модифицированием понимают введение микродобавок, изменяющих структуру металла, а также состав, свойства и форму фаз, выделяющихся при кристаллизации и дальнейшем охлаждении стали).

Выпуск стали в ковш. После окончания плавки стали в агрегате ее выпускают в предварительно подогретый сталеразливочный ковш. Он представляет собой сварной или клепаный металлический кожух в форме усеченного конуса, футерованный внутри огнеупорным кирпичом (обычно шамотным). Ковш оборудован стопорным механизмом или шиберным затвором.

Продувка стали в ковше инертным газом. Задачей этого метода обработки является, в первую очередь, усреднение объема металла по составу и температуре, а также частичная дегазация и очищение стали от неметаллических включений. Продувку осуществляют либо через пористые пробки в днище ковша, либо через специальные фурмы, вводимые в расплав сверху. В качестве рабочего газа используется аргон. Продувка длится 5—8 мин. Это обеспечивает полное выравнивание состава металла и температуры, примерно вдвое снижает содержание неметаллических включений и на 25. 35 % уменьшает водород в стали.

Обработка стали синтетическими шлаками. Для борьбы с серой в ряде сталеплавильных цехов применяется обработка стали в ковше синтетическим шлаком. С этой целью в специальной электропечи выплавляют шлак, обладающий высокой сорбционной способностью по отношению к сере (хорошо поглощающий серу). Этот шлак в количестве 3. 5% от массы металла заливают в сталеразливочный ковш и на него выпускают металл из сталеплавильного агрегата. Падая с большой высоты, металл интенсивно перемещается со шлаком, и капли последнего всплывают в металле. Этим достигается большая поверхность взаимодействия, что способствует быстрому протеканию процесса. Этот способ обеспечивает снижение содержания серы в металле в 2. 3 раза.

Продувка металла порошкообразными материалами. В настоящее время этот метод используется для глубокой десульфурации стали. Это позволяет получать сталь с очень низким (0,003 % и ниже) содержанием серы.

Вакуумирование стали. Основной задачей вакуумной обработки является дегазация стали.1

Получение ферросплавов.

Ферросплавы — сплавы железа с другими элементами (Cr, Si, Mn, Ti и др.), применяемые главным образом для раскисления и легирования стали (напр., феррохром, ферросилиций). К ферросплавам условно относят также некоторые сплавы, содержащие железо лишь в виде примесей (силикокальций, силикомарганец и др.), и некоторые металлы и неметаллы (Mn, Cr, Si) с минимальным содержанием примесей. Получают из руд или концентратов в электропечах или плавильных шахтах (горнах). Как правило, стоимость металла в виде ферросплава ниже, чем стоимость его в чистом виде. Это связано, в частности, с тем, что руда обычно содержит — в том или ином виде — железо, при переработке переходящее в сплав вместе с основным компонентом, и технологическая схема получения ферросплава оказывается одним из самых коротких и дешевых путей переработки сырья. В то же время для получения чистого сплава в технологию приходится вводить дополнительные этапы, усложняющие процесс и увеличивающие затраты. При этом получение железистого металла может быть либо полностью исключено либо являться одним из промежуточных этапов, когда получаемый передельный ферросплав перерабатывается на чистый металл. При восстановительной плавке железо, растворяя основной элемент, снижает его активность, понижает температуру плавления сплава. При легировании и раскислении стали и сплавов использование легирующего элемента в виде ферросплава повышает его усвоение расплавом, снижает угар.

Ферросплавное производство, получение ферросплавов на специализированных заводах чёрной металлургии. Наиболее распространён электротермический (электропечной) способ получения ферросплавов (т. н. электроферросплавов); по виду восстановителя он разделяется на углевосстановительный, которым получают углеродистые ферросплавы (5–8% С) и все кремнистые сплавы, и металлотермический (к нему условно относят и силикотермический), которым получают сплавы с пониженным содержанием углерода (0,01–2,5% С).Углевосстановительным процессом (см. Карботермия), осуществляемым главным образом в руднотермических печах мощностью 16,5–72 Мва, получают ферросилиций, кристаллический кремний, силикоалюминий, силикокальций, ферросиликокальций, силикомарганец, силикохром, углеродистый ферромарганец и феррохром, феррофосфор, комплексные сплавы на кремнистой основе, а также низкофосфористый марганцевый шлак; производство доменных ферросплавов очень незначительно по масштабам и постоянно сокращается (бедный ферросилиций и ферромарганец), т.к. они больше загрязнены примесями и стоят дороже электроферросплавов.

Низкоуглеродистые (рафинированные) ферросплавы получают в дуговых (рафинировочных) электропечах мощностью 2,5–5,5 Мва металлотермическим способом (см. Металлотермия). силикотермическим (см. Силикотермия) – низко- и безуглеродистые сплавы марганца и хрома, феррованадий (в шихту добавляют алюминий), ферровольфрам (в шихту добавляют коксик), силикоцирконий, алюминотермическим (см. Алюминотермия) – металлический хром, безуглеродистый феррохром, феррониобий, ферробор, силикоцирконий, различные лигатуры с редкими и редкоземельными металлами. Среднеуглеродистый феррохром получают также в конвертерах с кислородным дутьём (из углеродистого феррохрома). Для получения азотсодержащих (азотированных) сплавов марганца, хрома и ванадия применяют электропечи сопротивления и индукционные печи. Внепечным алюминотермическим способом выплавляют ферротитан, металлический хром и ванадий, внепечным силикотермическим способом – ферромолибден (в шихту добавляют алюминий).

Рафинирование металлов - очистка первичных (черновых) металлов от примесей. Черновые металлы, получаемые из сырья, содержат 96‒99% основного металла, остальное приходится на примеси. Такие металлы не могут использоваться промышленностью из-за низких физико-химических и механических свойств.

Выпуск стали в ковш. После окончания плавки стали в агрегате ее выпускают в предварительно подогретый сталеразливочный ковш. Он представляет собой сварной или клепаный металлический кожух в форме усеченного конуса, футерованный внутри огнеупорным кирпичом (обычно шамотным). Ковш оборудован стопорным механизмом или шиберным затвором.

Продувка стали в ковше инертным газом. Задачей этого метода обработки является, в первую очередь, усреднение объема металла по составу и температуре, а также частичная дегазация и очищение стали от неметаллических включений. Продувку осуществляют либо через пористые пробки в днище ковша, либо через специальные фурмы, вводимые в расплав сверху. В качестве рабочего газа используется аргон. Продувка длится 5—8 мин. Это обеспечивает полное выравнивание состава металла и температуры, примерно вдвое снижает содержание неметаллических включений и на 25. 35 % уменьшает водород в стали.

Обработка стали синтетическими шлаками. Для борьбы с серой в ряде сталеплавильных цехов применяется обработка стали в ковше синтетическим шлаком. С этой целью в специальной электропечи выплавляют шлак, обладающий высокой сорбционной способностью по отношению к сере (хорошо поглощающий серу). Этот шлак в количестве 3. 5% от массы металла заливают в сталеразливочный ковш и на него выпускают металл из сталеплавильного агрегата. Падая с большой высоты, металл интенсивно перемещается со шлаком, и капли последнего всплывают в металле. Этим достигается большая поверхность взаимодействия, что способствует быстрому протеканию процесса. Этот способ обеспечивает снижение содержания серы в металле в 2. 3 раза.

Продувка металла порошкообразными материалами. В настоящее время этот метод используется для глубокой десульфурации стали. Это позволяет получать сталь с очень низким (0,003 % и ниже) содержанием серы.

Вакуумирование стали. Основной задачей вакуумной обработки является дегазация стали.

Если еще 20 лет назад все процессы рафинирования осущест-влялись непосредственно в сталеплавильных агрегатах, то в на-стоящее время многие из этих функций вынесены из агрегата в ковш. В цепочке выплавка стали в агрегате--разливка стали появилось промежуточное звено--внепечная обработка стали. Все современные сталеплавильные цехи в большей или меньшей степени оборудованы различными установками для рафинирова-ния стали в ковше. В задачи отделений внепечной обработки стали входят раскисление, легирование, усреднение металла по составу и температуре, десульфурация, дегазация и модифици-рование. (Под модифицированием понимают введение микродобавок, изменяющих структуру металла, а также состав, свойства и форму фаз, выделяющихся при кристаллизации и даль-нейшем охлаждении стали).

Выпуск стали в ковш. После окончания плавки стали в аг-регате ее выпускают в предварительно подогретый сталеразливочный ковш. Он представляет собой сварной или клепаный металлический кожух в форме усеченного конуса, футерован-ный внутри огнеупорным кирпичом (обычно шамотным). Ковш оборудован стопорным механизмом или шиберным затвором.

Продувка стали в ковше инертным газом. Задачей этого ме-тода обработки является, в первую очередь, усреднение объема металла по составу и температуре, а также частичная дегаза-ция и очищение стали от неметаллических включений. Продувку осуществляют либо через пористые пробки в днище ковша, либо через специальные фурмы, вводимые в расплав сверху. В каче-стве рабочего газа используется аргон. Про-дувка длится 5--8 мин. Это обеспечивает полное выравнивание состава металла и темпера-туры, примерно вдвое снижает содержание неметаллических включений и на 25. 35 % уменьшает водород в стали.

Обработка стали синтетическими шлаками. Для борьбы с серой в ряде сталеплавильных цехов при-меняется обработка стали в ковше синтетическим шлаком. С этой целью в специальной электропечи выплавляют шлак, об-ладающий высокой сорбционной способностью по отношению к сере (хорошо поглощающий серу). Этот шлак в количестве 3. 5% от массы ме-талла заливают в сталеразливочный ковш и на него выпускают металл из сталеплавильного агрегата. Падая с большой высоты, металл интенсивно перемещается со шлаком, и капли последнего всплывают в металле. Этим достигается большая поверхность взаимодействия, что способствует быстрому протеканию про-цесса. Этот способ обеспечивает снижение содержания серы в металле в 2. 3 раза.

Продувка металла порошкообразными материалами. В на-стоящее время этот метод используется для глубокой десульфу-рации стали. Это позволяет получать сталь с очень низким (0,003 % и ниже) содержанием серы.

Вакуумирование стали. Основной задачей вакуумной обра-ботки является дегазация стали. Материаловедение и технология металлов / В.Т. Жадан, П.И.Полухин и др. - М., 1994. - С. 39.

Первоначально все процессы по доводке стали до нужного химического состава (операции легирования, раскисления, рафинирования, модифицирования) и температуры выполняли непосредственно в сталеплавильном агрегате. Это приводило к увеличению времени плавки (соответственно снижению производительности агрегата) и большому угару легирующих элементов (которые могут быть очень дорогими). Постепенно вышеуказанные операции стали переносить в сталеразливочный ковш и специальные агрегаты.

Данные процессы получили название внепечной обработки стали или ковшевой металлургии.

Внепечная обработка стали начала активно применяться с 60-х годов ХХ века, главным образом для повышения производительности дуговых сталеплавильных печей и конвертеров, позволяя вынести часть процессов рафинирования из этих агрегатов в ковш.

Однако уже начало внедрения современных процессов внепечной обработки показало, что они позволяют не только существенно улучшить качество стали (механические свойства, коррозионную стойкость, электротехнические показатели и др.), но и получить сталь с принципиально новыми свойствами.

Подвергать внепечной обработке можно сталь, выплавленную любым способом. Таким образом, внепечная обработка стали позволяет:

увеличить производительность основного сталеплавильного агрегата за счет выноса операций раскисления, рафинирования и легирования в агрегат внепечной обработки;
повысить качество металла за счет удаления вредных газовых примесей и неметаллических включений;
повысить эффективность процессов раскисления и десульфурации;
обеспечить более точное соблюдение химического состава металла;
получать металл с принципиально новыми свойствами;
обеспечить необходимую температуру металла перед разливкой;
уменьшить угар дорогих легирующих элементов.

Металлургические процессы, обеспечивающие получение указанных результатов, протекают эффективнее при внепечной обработке, чем в сталеплавильных печах благодаря ряду особенностей:

создание наиболее благоприятных термодинамических условий для развития данного процесса, в частности наводка шлака, обеспечивающего более глубокую десульфурацию;
увеличение скорости взаимодействия с газовой фазой или шлаком вследствие дробления металла на порции (капли) с развитой контактной поверхностью;
повышение интенсивности массопереноса в металле вследствие его дробления на порции (капли) и, следовательно, увеличение градиента концентраций растворённых в нём элементов.

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

обработка металла вакуумом;
продувка инертным газом;
обработка металла синтетическим шлаком, жидкими и твёрдыми шлаковыми смесями;
введение реагентов вглубь металла.

Основными недостатками перечисленных простых способов обработки металла являются: необходимость перегрева жидкого металла в плавильном агрегате для компенсации падения температуры металла при обработке в ковше и ограниченность воздействия на металл.

Лучшие результаты воздействия на качество металла достигаются при использовании комбинированных или комплексных способов, когда в одном или нескольких последовательно расположенных агрегатах осуществляется ряд операций. Выбор необходимого оборудования определяется той или иной технологией обработки металла.

Внепечная обработка металла комбинированными методами может производиться:

в обычном сталеразливочном ковше;
в сталеразливочном ковше, оборудованном для вдувания газа или газопорошковой струи снизу через смонтированные в днище устройства;
в установке ковш-печь с крышкой (сводом), через которую опущены электроды, нагревающие металл в процессе его обработки;
в агрегате типа конвертера с продувкой металла кислородом, аргоном;
в агрегате типа конвертера, снабжённом оборудованием для вакуумирования расплава и т. д.

Рассмотрим различные способы внепечной обработки стали в отдельности.

Продувка стали инертным газом в ковше

Продувку металла инертным газом осуществляют или отдельно в сталеразливочном ковше или применяют как операцию, сопутствующую другим процессам. В качестве инертного газа используют в основном аргон, реже азот. При продувке массу металла пронизывают тысячи пузырей инертного газа, каждый из которых представляет собой миниатюрную вакуумную камеру, поскольку парциальные давления водорода и азота в таком пузыре равны нулю. Внутрь таких пузырей вовлекаются вредные газовые примеси, а к их поверхности прилипают неметаллические включения, которые выносятся на поверхность металла. Также при продувке инертным газом происходит интенсивное перемешивание металла и усреднение его состава. Если требуется понизить содержание углерода в металле, то к инертному газу можно добавить кислород.

Продувка инертным газом сопровождается снижением температуры металла (газ нагревается и интенсивно уносит тепло), поэтому продувку инертным газом часто используют для регулирования температуры металла в ковше.

Продувку металла осуществляют путем ввода инертного газа различными способами в нижнюю часть ковша (рис. 58).

Рис. 58. Способы продувки металла в ковше: а – через погружаемую фурму; б – через пористый блок; в – через пористые швы в днище; г – через шиберный затвор; д – через боковую стенку ковша; е – способ SAB

Расход инертного газа поддерживают в пределах 0,5…2,5 м 3 /т в зависимости от необходимой степени обработки. Совмещение продувки инертным газом с выдержкой в условиях разрежения (вакуумированием) позволяет уменьшить расход инертного газа. Применение синтетического шлака при продувке инертным газом способствует более эффективному удалению из металла вредных примесей и неметаллических включений.

Обработка синтетическими шлаками

Для интенсификации и повышения полноты перехода в шлак серы, фосфора и кислорода применяют перемешивание металла с жидким синтетическим шлаком (рис. 59).

Рис. 59. Технологическая схема обработки стали жидкими синтетическими шлаками: 1 – дуговая электропечь для выплавки синтетического шлака; 2 – заливка синтетического шлака в сталеразливочный ковш; 3 – выпуск стали

Для снижения содержания серы в металле и его раскисления применяют известково-глиноземистый шлак, для дефосфорации – известково-железистый, а для снижения содержания кислорода и оксидных включений – кислый.

Обработку ведут в ковше во время выпуска металла из сталеплавильного агрегата, одновременно из шлакового ковша подавая струю жидкого шлака на струю жидкой стали. Синтетический шлак предварительно выплавляют и нагревают до температуры ~1600 °С в электродуговой печи и перед обработкой металла выпускают в шлаковый ковш.

Расход синтетического шлака не превышает 6 % от массы металла. Такое количество шлака позволяет стабилизировать его состав и свойства и поддерживать их постоянными от плавки к плавке. Продолжительность обработки стали синтетическим шлаком ограничивается лишь длительностью выпуска металла из агрегата в ковш.

Возможно и совмещение обработки синтетическим шлаком с продувкой инертным газом или вакуумированием.

В настоящее время непрерывный ввод различных веществ (углерода, раскислителей, модификаторов) проводят с применением порошковой проволоки, имеющей в своем сечении круг или прямоугольник, стальная оболочка которой обычно завальцована. Такая проволока большой длины поставляется в катушках на металлической или деревянной раме.

Одним из энергосберегающих способов при обработке стали на печи ковш является подача аргона через полые электроды. Данная технология позволяет сократить расход электроэнергии и угар электродов.

Обработка стали вакуумом

Вакуумирование металла осуществляют основным образом в сталеразливочном ковше. Лучшие результаты при этом получаются при вакуумировании нераскисленного металла. За счет создания разрежения над поверхностью металла происходит интенсивное выделение пузырьков растворенных в нем газов – водорода, азота и монооксида углерода. Также к поверхности этих пузырьков прилипают неметаллические включения, которые выводятся на поверхность и переходят в шлак. Кроме того, растворенный в металле кислород взаимодействует с углеродом, поэтому этот процесс используют и для получения безуглеродистых коррозионностойких сталей. После интенсивной дегазации в металл сверху из помещенного в вакуумной камере бункера вводят раскислители и легирующие добавки.

Различают две разновидности процесса:

VD (Vacuum Degassing) – вакуумная дегазация металла;
VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) – вакуумно-кислородное обезуглероживание, при котором для удаления углерода из металла используют и продувку кислородом.

Однако в последнее время все большее распространение получают комбинированные агрегаты, сочетающие в себе обе разновидности.

Рис. 61. Схемы ваккуумирования стали: а) камерное ваккуумирование; б) обезуглероживание стали; в) струйное вакуумирование; г) циркуляционное вакуумирование; д) порционное вакуумирование

В настоящее время наиболее распространенными способами обработки металла вакуумом в ковше являются:

помещение ковша с металлом в вакуумную камеру, последующее перемешивание металла инертным газом и ввод раскислителей из бункера, данный метод часто называют “ковшовым вакуумированием” (рис. 61, а), аналогичным образом происходит и обезуглероживание металла (рис. 61, б);
вакуумирование при переливе из ковша в ковш или из ковша в изложницу. Поскольку обработке вакуумом подвергается “струя” металла, данный метод иногда называют “струйным вакуумированием” или “вакуумированием струи” (рис. 61, в);
циркуляционное вакуумирование, когда металл под действием вакуума всасывается в специальную камеру, где и происходит удаление вредных примесей (рис. 61, г);
порционное вакуумирование, при котором металла закачивается в камеру вакуумирования отдельными порциями (рис. 61, д).

Импульсно-динамическое устройство

Одним из недавно предложенных является способ внепечной обработки стали в ковше с применением импульсно-динамического устройства (ИДУ). Это устройство благодаря своей простоте существенно дешевле, чем установка печь-ковш и может выполнять ее основные функции.

Импульсно-динамическое устройство (рис. 62), представляет собой кассету (картридж), заполненную материалами, необходимыми для обработки стали в ковше. Материалы располагаются в кассете в необходимом порядке в секторах и разделены плавящимися перегородками сегментах.

Рис. 62. Схема импульсно-динамического устройства:1 – стальной стержень; 2 – футеровочные термостойкие втулки; 3 – горизонтальные стенки; 4 – составная обечайка; 5 – кольцевые элементы из реагентов; 6 – перегородки; 7 – слой магния; 8 – направляющие элементы; 9 – тепловой экран; 10 – алюминиевые пластины; 11 – опора; 12, 13 – защитный кожух; 14 – сталеразливочный ковш; 15 – расплав

С помощью импульсно-динамического устройства возможно выполнять операции раскисления, легирования, рафинирования, модифицирования, дегазации, удаление шлака, усреднение химического состава и температуры.

Перемешивание металла в ковше осуществляется за счет использования реактивной энергии струйных течений, получаемых при помощи струйно-вихревых смесителей (рис. 63), работающих на основе испарения активной составляющей (Mg или Ca) и экзотермических реакций окисления примесей, что позволяет рассчитывать на эффективное перемешивание при рафинировании стали. Время обработки при помощи этого устройства не превышает 10 мин.

Рис. 63. Схема расположения элементов в кассете ИДУ

Устройство вводится в ковш с металлом при помощи подъемного механизма и экранного модуля. Во время обработки производятся попеременные подъем и опускание ИДУ с целью дополнительного перемешивания металла в ковше.

Источник: Скляр В. О. Инновационные и ресурсосберегающие технологии в металлургии. Учебное пособие. – Донецк.: ДонНТУ, 2014. – 224 с.

Читайте также: