- •Научные основы современных сталеплавильных процессов
- •Посвящается в.И. Явойскому
- •Глава 1
- •Глава 2
- •2.1 Кинетика гетерогенных высокотемпературных процессов и методы выявления их ведущего звена
- •2.2 Исследование процессов окислительного рафинирования имеющих место в производстве стали
- •2.3 Условия протекания окислительного рафинирования в сталеплавильных агрегатах
- •2.4 Реакция окисления углерода
- •Внутридиффузионный режим лимитирования процесса
- •2.7 Окислительные процессы в многокомпонентных расплавах на основе железа
- •2.10 Окисление серы
- •2.11 Деванадация
- •2.13 Современные представления о ходе процессов окислительного рафинирования расплавов на основе железа
- •Окислительное рафинирование в условиях современных сталеплавильных агрегатов
- •2.15 Характеристика и газодинамика кислородных струй сталеплавильных агрегатов
- •Форма и геометрические размеры реакционной зоны
- •Глава 3.
- •3.1 Общие положения
- •3.2 Маcсоперенос примеси в экстрагирующей фазе
- •3.3 Сера в металле и его десульфурация
- •3.4 Кинетика процесса десульфурации металла
- •3.5 Кинетика десульфурации металла за счет твердых тел (порошкообразными десульфураторами)
- •Глава 4. Раскисление стали и неметаллические включения.
- •4.1 Кислород в стали и ее раскисление
- •4.2 Термодинамика раскисления
- •4.3 Кинетика осадочного раскисления
- •4.4 Плавление и растворение в металле вводимых раскислителей
- •4.5 Взаимодействие растворенного в металле кислорода с введенным в него раскислителем
- •4.6 Образование зародышей новой фазы продуктов раскисления в объеме жидкого металла
- •4.7 Рост образовавшихся продуктов раскисления
- •4.8 Удаление продуктов раскисления из сферы протекания этой реакции
- •4.9 Переход включений из металла в шлак или другие контактирующие фазы
- •4.10 Неметаллические включения в готовом металле
- •Глава 5 газы в стали
- •5.1 Взаимодействие азота и водорода с расплавленным и охлаждающимися сплавами железа
- •5.2 Термодинамика взаимодействия азота с расплавами на основе железа
- •5.3 Методы изучения взаимодействия азота с металлами
- •5.4 Кинетика растворения азота в железе и его сплавах
- •Глава 6 поведение водорода в сплавах на основе железа
- •6.1 Некоторые особенности взаимодействия водорода
- •Со сплавами на основе железа
- •6.2 Природа газообразного водорода и взаимодействие его с металлами
- •6.3 Термодинамика сорбирования водорода расплавленными и твердыми сплавами железа
- •6.4 Кинетика растворения и выделения водорода из расплавов на основе железа
- •6.5 Состояние водорода в готовой стали его влияние на механические свойства стали и распределение водорода в металле
- •6.6 Поведение водорода при выплавке металла и при его внепечной обработке
- •Глава 7 основы обработки стали в ковше
- •7.1 "Внеагрегатная" или "ковшевая" обработка стали
- •7.2 Вакуумирование металла
- •7.3 Применение инертных газов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Научные основы современных сталеплавильных процессов
Глава 7 основы обработки стали в ковше
7.1 "Внеагрегатная" или "ковшевая" обработка стали
Внеагрегатная обработка стали первоначально возникла как средство для сокращения времени пребывания металла в сталеплавильном агрегате и за счет этого увеличения его производительности. Дополнительным доводом в пользу ковшевой обработки стали служила некоторая экономия раскислителей за счет уменьшения или даже устранения их потери в шлак вследствие прямого окисления кислородом шлака, а не растворенным в металле кислородом. В ряде случаев, в особенности при выплавке среднеуглеродистых сталей или при использовании кислородной продувки для интенсификации процесса плавки, металлурги иногда воздерживались от ковшевого раскисления из опасения не попасть в заданные пределы содержания углерода, а также марганца, в выплавляемой марке стали. Иногда этого требовала и необходимость гарантии заданной температуры стали.
Современный уровень средств контроля хода плавки (состава металла и его температуры) полностью устраняет эти опасения. С другой стороны, непрерывно возраставшие требования к качеству металла стимулировали поиски средств его внеагрегатной обработки и совершенствования технических средств проведения этой обработки. Сейчас вопрос о полезности и перспективности внеагрегатной обработки стали практически уже решен и ни у кого не вызывает сомнений. Теперь задача сводится лишь к широкому использованию уже известных средств и методов ковшевой обработки, к поискам средств и методов ее совершенствования и разработке новых, возможно даже еще не возникавших ранее, проблем и направлений ковшевой обработки, а также технических путей их решения. Среди обычных и наиболее распространенных задач внеагрегатной обработки стали можно назвать:
-
Вакуумирование с целью удаления из металла растворенных в нем газов и раскисления металла за счет реакции содержащихся в нем углерода и кислорода;
-
Обработка синтетическими шлаками для экстракционного извлечения из металла прежде всего растворенных в нем кислорода и серы, а также перевода в шлак некоторой части взвешенных в металле неметаллических включений;
-
Обработка нейтральными газами для дегазации металла и облегчения флотации к поверхности контакта металл-шлак некоторой части неметаллических включений;
-
Раскисление, десульфурация или легирование металла за счет ввода кусковых, расплавленных или порошкообразных лигатур, ферросплавов или чистых металлов.
7.2 Вакуумирование металла
Эффективность вакуумной обработки стали, как и всех ''ковшевых” и “печных" процессов ее производства, определяется:
-
равновесными, при данных температурных условиях и остаточном давлении газов в вакуум-камере, концентрациями вредных для стали элементов (водорода, азота и кислорода);
-
кинетикой удаления этих газов, испарения некоторых компонентов ванны, перемешивания и выравнивания состава и температуры металла;
-
технически возможной и достижимой степенью приближения всех перечисленных процессов к равновесию.
Вопросы кинетики процессов вакуумирования стали всегда стоят особенно остро, поскольку металлургам обычно приходится заботиться и о сохранении температуры металла на уровне, требуемом условиями его разливки. Интересно отметить, что почти все методы повышения общей поверхности контакта металла и вакуумируемой газовой атмосферы, а также методы понижения ферростатического давления на участки металла, активно выделяющие экстрагируемый газ, одновременно приводят к ускорения не только процессов дегазации металла, но также и теплоотдачи от него. Именно этим объясняется большое разнообразие используемых в настоящее время вариантов вакуумирования: ковшевое с продувкой инертным газом, ковшевое с электромагнитным перемешиванием, порционное (ДН-процесс), циркуляционное (RH-процесс), комбинированные варианты (в том числе "пульсационно-смесителъное" [187] и особенно ASEA-SKF или метод "печь-ковш"), струйное вакуумирование при отливке крупных слитков, непрерывно-струйное при МНЛЗ и др. Необходимым условием успеха вакуумной обработки при всех ее вариантах является высокая производительность вакуумных насосов (в современных условиях это в большинстве случаев многоступенчатые пароструйные насосы). Особое значение при этом имеет величина "остаточного" давления газов в вакуум-камере, которое определяется не только производительностью системы вакуумных насосов, но, частично и "натеканием" вакуум-камеры, т.е. качеством ее сборки и уплотнения. "Натекание" вакуумной установки является особенно неприятным, т.к. оно определяет уровень окислительного потенциала газовой фазы и препятствует раскислению металла за счет углерода, а также тормозит дегазацию стали. Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что концентрации водорода и азота к концу периода вакуумной обработки металла (обычно от 10 до З0 минут) все еще остаются выше равновесных с газовой фазой. Этим объясняются продолжающиеся поиски путей интенсификации вакуумной обработки за счет ее конструктивных и технологических изменений.
Сами задачи вакуумной обработки стали сейчас довольно разнообразны. К ним относятся:
а) глубокое обезуглероживание металла за счет растворенного в нем кислорода, перемешивание с относительно железистым шлаком за счет продувки инертным газом и использование оксидов шлака в качестве окислителей;
б) применение для тех же целей газовых смесей с переменным окислительным потенциалом;
в) различные варианты окислительного вакуумирования, обеспечивающего полное обезуглероживание (почти до следов углерода) при сохранении в металле хрома;
г) по возможности полное раскисление стали до введения в нее раскислителей и, следовательно, уменьшение количества, средних размеров и, в конечном счете, отрицательного влияния оксидных неметаллических включений на свойства сталей;
д) удаление водорода из всех флокеночувствительных средне- и высоуглеродистых и легированных сталей;
е) совмещенная вакуум-шлаковая обработка (например, по типу освоенной на заводе «Днепроспецсталь»), когда обрабатываемый металл сначала проходит через вакуум-камеру, дегазируется и дробится в ней на капли и уже затем проникает через толстый слой синтетического, дегазируемого вакуумом шлака.
Дальнейшее распространение вакуумирования является большим резервом повышения качества стали. Его широко применяют, несмотря на дороговизну, в ряде промышленно развитых стран. Например, в Японии вакуумную обработку ежегодно проходят 4,5-5 млн. т. стали.
К настоящему времени уже имеется обширная литература, посвященная совершенствованию конструкций вакуумных установок и систем, самих вакуум-камер, а такие модернизации технологии вакуумирования. Учитывая задачи настоящей работы, авторы решили не рассматривать все эти вопросы и отсылают интересующихся к специализированной литературе, например [34] или [203-206].