ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6

ВЫПЛАВКА КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ СТАЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АРГОНОКИСЛОРОДНОГО И ВАКУУМ-КИСЛОРОДНОГО РАФИНИРОВАНИЯ (МОДЕЛИРОВАНИЕ НА ЭВМ)

(4 часа)

1. Цель работы

1.1. Закрепление знаний по теории и технологии процессов выплавки коррозионностойких сталей, по математическому моделированию технологических процессов.

1.2. Развитие навыков исследования металлургических процессов с помощью математического моделирования.

1.8. Обучение принятию решений по управлению процессом и по улучшению его технико-экономических показателей.

2. Теоретическое введение

2.1. Современные процессы выплавки коррозионностойких сталей

По экономическим соображениям выплавку коррозионностойких сталей производят почти всегда с использованием в шихте высоко­легированных отходов.

Одна из основных возникающих при этом трудностей, определяв­ших технологию плавки, состоит в необходимости обеспечить глубокое обезуглероживание расплава при высоком содержании хрома. Величина отношения [Cr] ⁄ [C], которая должна быть достигнута в этом процессе, составляет как минимум около 200 (0,05-0,06% С при 10-12% Сr). Желательный уровень - 1000 и более (0,005-0,020%C при 18-25% Cr).

Экспериментально найденные термодинамические характеристики процесса обезуглероживания расплавов железа, содержащих более 9% хрома, имеют вид:

¼ Cr₃O_4(T) + [C] = ¾ [Cr]+CO_(Г) (6.1)

(6.2)

Активность Cr₃O₄ принята в уравнении (6.2) равной 1 в связи с тем, что обезуглероживание сопровождается, как правило, образованием гетерогенных шлаков, насыщенных оксидами хрома. Иллю­страцией, зависимости, определяемой уравнением (6.2), может служить рис.6.1.

Рис.6.1. Равновесные значения [Cr] ⁄ [C]

для расплавов Fe-18% Cr (1); Fe-18%,Cr-10% Ni (2); Fe-10% Cr-10% Ni (3)

Как видно из графика, равновесная величина отношения [Cr] ⁄ [C] зависит главным образом от температуры и давления СО. При выплавке коррозионностойких сталей в дуговых печах (без внепечного рафинирования) необходимую величину [Cr] ⁄ [C] ≈ 200 при Р_СО = 1 атм. достигают за счет кратковременного значитель­ного повышения температуры металла до 1900-2000°С. При использовании внепечных процессов; аргонокислородного или вакуум-кислородного рафинирования (АКР, ВКР) задача решается путем уменьшения Р_СО. Как видно из рис.6.1, при этом могут быть достигнуты значительно более высокие отношения [Cr] ⁄ [C].

В процессе АКР уменьшение Р_СО в продуктах реакции (6.1) достигается путем продувки металла не чистым кислородом (как в дуговых печах), а его смесями с аргоном или его заменителями: азотом, водяным паром. Исходный полупродукт получают в дуговой печи, которая в этом процессе обеспечивает только расплавление шихты. Все дальнейшие операции выполняют в специальном конверте­ре (рис.6.2), оборудованном придонными боковыми или донными фурмами типа "труба в трубе". Кольцевой зазор между трубами служит для подачи защитного газа, обеспечивающего высокую стой­кость фурм. В качестве защитного газа можно применять аргон, азот, пар, углеводороды. Общий расход газовой смеси составляет обычно около 1 м³/(т*мин.); примерно 10% от этого расхода приходится на защитный газ.

Рис.6.2. Аргонокислородный конвертер: 1-фурма, 2-реторта,

3-газоотсос, 4-бункер для ввода добавок

Полупродукт по содержанию легирующих элементов (Cr, Ni, Mn, Mo и т.д.) близок к выплавляемой стали. Содержание углерода в нем составляет обычно 1-1,5%, кремния - около 1%. Фосфор в процессе АКР из металла не удаляется, как и в других применяемых на практике процессах выплавки коррозионностойких сталей. Поэтому его содержание в полупродукте должно быть ниже марочного.

Перед заливкой в конвертер полупродукт на некоторых заводах отделяют от электропечного шлака. Это делают для уменьшения ко­личества шлака в конвертере с целью повышения стойкости футеровки. Однако это снижает извлечение хрома.

Температура металла перед началом продувки составляет обычно I450-I550°С. Обезуглероживание ведут, как правило, в три стадии с постепенным снижением доли кислорода в смеси. Один из часто применяемых режимов предусматривает следующие соотношения между кислородом и аргоном:

Стадии	О2	Ar	Длительность
I	3	1	до 0,5- 0,3% С
II	1	1	до 0,2- 0,1% С
III	1	3	до конечного %С

Применяют и другие режимы. Их выбор определяется составом исход­ного полупродукта и готовой стали, а также температурой расплава, которая не должна превышать уровня, опасного для футеровки (1680-1700°С). Максимально допустимое содержание кислорода в дутье (75-80%) определяется стойкостью фурм. Для регулирования температуры применяют также присадку охлаждающих добавок - от­ходов аналогичных марок стали.

После завершения обезуглероживания переходят на продувку расплава чистым аргоном и производят раскисление металла (и шлака - с целью восстановления хрома), десульфурацию стали, доводку ее по составу и температуре. Далее металл вместе со шлаком сли­вают в ковш.

Вакуум-кислородное рафинирование (ВКР) осуществляют обычно в ковше, который устанавливают в специальную вакуумную камеру (рис.б.3), оборудованную высокопроизводительным пароэжекторным насосом. В футеровке днища ковша устанавливают пористый элемент для подачи аргона. С целью уменьшения разбрызгивания металла ковш накрывают крышкой с отверстиями для кислородной фурмы, для ввода добавок, взятия проб, измерения температуры.

Рис.6.3. Вакуум-кислородное рафинирование:

1-камера, 2-пористый элемент, 3-ковш,

4-крышка, 5-фурма, 6-бункер для добавок

К полупродукту при ВКР предъявляются повышенные требования - содержание углерода и кремния в нем должно быть не более 0,3-0,5% (каждого). Это связано с тем, что окисление большого количества углерода в вакууме сильно затягивает операцию, а окисление кремния - увеличивает количество шлака (что повышает потерю хрома и снижает стойкость футеровки). Предварительное рафинирование полупродукта при ВКР производят путем кислородное продувки в дуговой печи. Далее полупродукт сливают в ковш, отделяют от шлака и помещают в вакуумную камеру. В ходе откачки после достижения давления 0,2-0,1 атм., начинают продувку металла кислородом сверху. Снизу при этом подают аргон для перемешивания металла и чтобы оголить его поверхность от шлака в месте подачи кислорода. Давление в камере снижают постепенно, чтобы не допустить выбросов. Заключительные операции плавки: раскисление и доводку - проводят в условиях только аргонной продувки при давлении около 1 мм. рт.ст. (100 Па).

Есть и другие варианты проведения ВКР: в специальном ва­куумном конвертере, в камере для циркуляционного вакуумирования и др.

Основные достоинства АКР и ВКР по сравнению с выплавкой коррозионностойких сталей в дуговых печах состоят в следующем:

1. Практически полная ликвидация необходимости в низкоуглеродистых сортах феррохрома (и ферромарганца), т.к. обезугле­роживание можно вести при полном легировании расплава хромом (и марганцем).

2. Повышение коэффициента использования хрома (с 85-90% до 93-95%), а также других компонентов расплава в связи с умень­шением пылеобразования и потерь со шлаком.

3. Улучшение качества стали в связи с более низким содержанием углерода (достигаемым без больших затрат), а также газов (водорода, азота), испаряющихся примесей (свинца), не­металлических включений.

4. Увеличение производительности дуговых печей (в 1,5-2 раза в зависимости от удельной мощности трансформатора) за счет переноса технологических периодов плавки на стадию вне­печного рафинирования.

Процесс АКР получил наибольшее распространение в мире. Это обусловлено его более высокими технико-экономическими пока­зателями, такими как использование хрома, производительность печи (в связи с отсутствием кислородной продувки). Оборудова­ние для АКР в эксплуатации проще. При АКР лучше осуществляется десульфурация, меньше расходы на огнеупоры. Все это компенсирует повышенный расход аргона при АКР, достигающий 15-25 м³/т. (при выплавке большинства сталей до 30-40% аргона - на первых этапах продувки - можно заменить азотом).

Однако при выплавке сталей с особо низким содержанием угле­рода (менее 0,01%), а также с более высокими требованиями по со­держанию газов, метод ВКР, по-видимому, более эффективен. Это относится также к цехам, уже оснащенным современными установками для вакуумной обработки металла.