Главная » 2014 » Июль » 19 » Скачать Закономерности рафинирования металла и разработка технологии сокращенного восстановительного периода и одношлакового процесса бесплатно
10:26 PM
Скачать Закономерности рафинирования металла и разработка технологии сокращенного восстановительного периода и одношлакового процесса бесплатно
Закономерности рафинирования металла и разработка технологии сокращенного восстановительного периода и одношлакового процесса плавки легированных сталей в дуговых печах
Диссертация
Автор: Гудим, Юрий Александрович
Название: Закономерности рафинирования металла и разработка технологии сокращенного восстановительного периода и одношлакового процесса плавки легированных сталей в дуговых печах
Справка: Гудим, Юрий Александрович. Закономерности рафинирования металла и разработка технологии сокращенного восстановительного периода и одношлакового процесса плавки легированных сталей в дуговых печах : Дис. д-ра технические науки : 05.16.02 Челябинск, 1983 c. :
Объем: стр.
Информация: Челябинск, 1983
Содержание:
ВВЕДШИЕ
I СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР)
П МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Ш ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛА В ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД ПЛАВКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ и подшипниковых СТАЛЕЙ
IV ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОДНОШЛАКОВОГО ПРОЦЕССА ПЛАВКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ПОДШИПНИКОВЫХ СТАЛЕЙ
V ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПЛАВКИ НЕРЖАВЕЩИХ СТАЛЕЙ ™
Введение:
Быстрое развитие кислородно-конвертерного процесса и вытеснение им мартеновского процесса привели к увеличению количества свободного лома. Дуговая электропечь с основной футеровкой оказалась наилучшим агрегатом для передела лома на сталь в современных условиях, а также для переработки металлизованного сырья. Все это вызвало рост мирового производства электростали как в абсолютном выражении, так и относительно других способов выплавки стали [1.3]. Решения последних съездов КПСС поставили перед отечественной металлургией задачу быстрого увеличения производства электростали и повышения ее качества[4,Увеличение производства отечественной электростали будет достигнуто как за счет строительства новых, так и за счет увеличения производительности существу щих цехов и агрегатов.
Рост выплавки электростали, совершенствование конструкции и увеличение емкости дуговых печей, повышение мощности печных трансформаторов вызывают необходимость обоснования основных принципов интенсификации технологии плавки стали в дуговой печи с основной футеровкой - главном производителе электростали.
Применение печных трансформаторов повышенной и высокой мощности, совершенствование электрического режима плавки, использование дополнительных источников тепла для подогрева и плавления шихты (внепечной подогрев шихты, топливо-кислородные горелки) привели к практически предельной интенсификации периода плавления. Поэтому основным резервом в деле совершенствования технологии и интенсификации процесса плавки стали в дуговых электропечах является совершенствование технологии и интенсификация окислительного и восстановительного периодов плавки.
Учитывая последние изменения сортамента сталей, выплавляемых в дуговых электропечах, можно выделить три основные группы сталей,производимых в электропечах: конструкционные, подшипниковые, нержавеющие и высоколегированные. Несмотря на различия в химическом составе названных групп сталей, рациональная технология плавки их в электропечи должна строиться на ряде общих основных положений с учетом особенностей той или иной группы лишь при разработке отдельных частных моментов конкретной технологии. Б то же время, в многочисленных исследованиях, посвященных изучению и совершенствованию технологии плавки в электропечи, изучены преимущественно отдельные моменты технологии плавки конкретных групп сталей в электропечах определенной конкретной емкости.
Задачи настоящего исследования - разработать научные основы интенсификации плавки конструкционной и подшипниковой стали в дуговых печах за счет сокращения восстановительного периода или перехода на одношлаковый процесс, исследовать особенности процесса обезуглероживания хромсодержащего расплава в ванне дуговой печи, изучить возможность интенсификации этого процесса и уменьшения потерь хрома для обеспечения перехода на одношлаковый процесс плавки и улучшения показателей производства нержавеющих сталей.
В настоящей работе изучены закономерности протекания процессов рафинирования металла в восстановительный период плавки конструкционных и подшипниковых сталей, влияние ряда факторов на степень рафинирования стали, особенности выплавки конструкционной, подшипниковой и нержавеющей стали под одним шлаком, особенности процесса окисления углерода и хрома в легированном расплаве и факторы, определяющие величину потерь легирующих при выплавке нержавеющих сталей. На основании теоретического анализа полученных данных показана возможность и целесообразность интенсификации процесса выплавки стали в дуговых печах и применения одношлакового процесса без ущерба для качества металла. По результатам исследования разработана и внедрена в производство усовершенствованная технология плавки ряда марок стали в дуговых электропечах Челябинского металлургического завода, позволившая увеличить производительность печей и уменьшить расход шихтовых материалов.I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСАКлассическая технология, длительное время применявшаяся при выплавке легированных сталей в дуговых печах, могла удовлетворять металлургов линь при сравнительно небольших объемах выплавки высококачественной легированной стали.
Увеличение, начиная с 50-х годов, объема производства и расширение сортамента выплавляемых сталей за счет низколегированных и углеродистых сталей, стремление улучшить экономику процесса вызвали необходимость изменения как самой дуговой сталеплавильной установки, так и технологии плавки стали.
Повышение удельной мощности печных трансформаторов, интенсификация периода плавления за счет дополнительных источников тепла и использования газообразного кислорода резко сократили длительность расплавления шихты. Наряду с увеличением емкости дуговых печей это привело к росту производительности агрегатов и повышению производительности труда персонала [2,6 и др/J.
В таких условиях большая длительность окислительного и восстановительного периодов плавки, предусматриваемая классической технологией, стала тормозом на пути к дальнейшему прогрессу' электросталеплавильного производства. Актуальным стал вопрос интенсификации и разработки рациональной технологии рафинирования металла в дуговой электропечи.
Вопросы удаления примесей из металла в окислительный период плавки изучены достаточно подробно теоретически и на практике[^7-14] и рафинирование металла от примесей в окислительный период плавки не вызывает в большинстве случаев особых затруднений.
Применение мощных печных трансформаторов и интенсивное использование газообразного кислорода ускоряет нагрев металла и процессы окисления примесей. Поэтому технология окислительногопериода плавки на свежей шихте сравнительно легко может быть приведена в соответствие с возросшей мощностью печных трансформаторов и изменившимся или меняющимся сортаментом сталей, выплавляемых в дуговых печах. Дополнительных исследований требует лишь решение вопросов, связанных с десульфурацией металла в окислительный период плавки при переходе на одношлаковый процесс.
Интенсификация процессов раскисления металла требует решения вопроса о Еыборе способа и времени раскисления металла, выплавляемого в дуговой печи.
Классическая технология восстановительного периода предусматривала длительное (1,5-2,5 часа) диффузионное раскисление металла с целью получения стали с низким содержанием оксидных неметаллических включений. Исследования, проведенные в печах средней емкости в середине и конце пятидесятых годов [16,17J показали, что диффузионное раскисление вызывает относительно медленное уменьшение содержания кислорода в металле и его эффективность мала. Б связи с этим высказывалась мысль [l7] о возможности сокращения длительности восстановительного периода.
Исследования Ф.П.Еднерала и ряда других ученых [I8-27J показали возможность некоторого сокращения восстановительного периода за счет усиления осаждающего раскисления в начале периода. Отмечается ?28 J что содержание кислорода в металле во время раскисления в дуговой печи практически не зависит от концентрации закиси железа. Наряду с высказываниями в пользу сокращения длительности диффузионного раскисления и восстановительного периода имеются и пртю противоположные [29-34J. Сообщается [32,34j об ухудшении качества металла после сокращения длительности восстановительного периода.
К настоящему времени на отечественных заводах классическаятехнология электроплавки претерпела ряд изменений, но и сейчас при выплавке качественных конструкционных и подшипниковых сталей предпочитают иметь довольно длинный (70-80 минут и более) восстановительный период с комбинированным осадочно-диффузионным раскислением.
Для радикального решения вопроса интенсификации восстановительного периода нужны исследования окислительно-восстановительного потенциала ишака в процессе раскисления по ходу восстановительного периода, чтобы оценить эффективность и целесообразность диффузионного раскисления металла в практике электроплавки.
Процесс осаждающего раскисления стали подробно изучен и освещен в литературе [7,35-71 ]. Большое внимание уделено процессам зарождения, укрупнения и всплывания неметаллических продуктов раскисления [35-6б]. Отмечаются большая скорость снижения содержания кислорода в металле при осаждающем раскислении и быстрое удаление из металла продуктов раскисления алюминием [41-65"]. В связи с этим алшиний широко применяется в практике электросталеплавильного производства, хотя среди специалистов нет единого мнения о времени введения алюминия в металл и количестве присаживаемого алкшшия [21,23,47,66-71 и др.^.
Быстрое удаление из металла продуктов осаждающего раскисления сильными раскислителями, отмеченное многими исследователями, служит предпосылкой для интенсификации восстановительного периода или перехода на одношлаковый процесс плавки стали в дуговой электропечи.
При использовании классического двухшлакового процесса главная роль в десульфурации металла отводится восстановительному периоду в связи с известными данными о положительном влиянии раскисления металла и шлака на процесс десульфурации стали 7,15, 19,72-81. Сообщается, что перемешивание металла и шлака приводит к некоторому возрастанию скорости десульфурации стали в восстановительный период плавки [72,82]. Отмечено резкое ухудшение процесса десульфурации и уменьшение коэффициента распределения серы в восстановительный период плавки стали в 100 т печи в связи с существенным уменьшением удельной поверхности контакта шлак-металл по сравнению с печами малой и средней емкости [9,83,84]. Данные о значительном понижении содержания серы в стали в процессе выпуска из печи металла вместе со шлаком [21,22, 24,82,85-87] свидетельствуют о большом значении обработки металла шлаком во время выпуска.
Большинство авторов отмечают положительное влияние обработки металла шлаком на качество готовой стали и рекомендуют такую обработку [l6,17,32,105,106J. Показано отрицательное влияние повышенного содержания оксидов железа и магния на рафинирование металла шлаком [29,86,87] и положительное влияние на этот процесс небольших добавок фторида кальция [S8,89j. По вопросу о роли печного шлака как источника загрязнения стали экзогенными включениями существуют различные мнения. Ряд авторов на основании экспериментальных данных утверждает, что печной ишак, особенно с повышенным содержанием карбида кальция, загрязняет металл крупными шлаковыми включениями [32,49,90-99]. Установлено [l00], что даже и глобулярные включения в подшипниковой стали, обработанной синтетическим известково-глиноземистым шлаком, представляют собой не успев ш:ие удалиться капельки синтетического шлака. "Шлаковое" происхождение крупных глобулярных включений в подшипниковых сталях подтверждается в работах [96-99,101J. Имеются и противоположные мнения [102,104J. Поэтому вопрос о целесообразности обработки металла раскисленным шлаком во время выпуска должен решаться применительно к конкретным группам марок сталей. По-видимому, в ряде случаев целесообразно отказаться от такого приема. Тогда отпадает и необходимость проведения восстановительного периода.
Длительное нахождение жидкого металла в контакте с огнеупорной футеровкой ванны должно иметь следствием взаимодействие (химическое, механическое и др.) составляющих металла и поверхностного слоя футеровки ванны. В связи с трудностью отбора проб футеровки ванны по ходу плавки вопрос этот мало изучен. Отмечается, что футеровка ванны может быть источником загрязнения стали неметаллическими включениями [104]. Это подтверждается наличием оксида магния в крупных глобулярных включениях из готового металла [96-99]. Имеются сведения о связи между содержанием кислорода в металле и окисленностью рабочего слоя футеровки ванны [ioj высказываются предположения о возможности прямого восстановления оксидов из футеровки ванны составляющими металла fl0,I07 и др/J.
В литературе практически не содержится каких-либо сведений и рекомендаций о путях борьбы с вредными процессами, протекающими на границе металл.^футеровка. На наш взгляд одним из возможных направлений может быть бшрьба за сокращение длительности контакта раскисленного металла и футеровки ванны (сокращение длительности восстановительного периода или переноса процессов раскисления в ковш и переход на одношлаковый процесс плавки).
Растущий интерес к одношлаковому процессу плавки стали в дуговых печах вызывается прежде всего возможностью сокращения длительности плавки, повышения производительности печей, снижения расхода электроэнергии, электродов и некоторых других материалов, исключения трудоемкой и продолжительной операции скачивания шлака.
Одношлаковый процесс с доводкой под окисленным шлаком довольно широко применяется за рубежом для производства сталей рядового качества [l08-II2, II? и др.]. Имеющиеся публикации по вопросам применения однотлакового процесса довольно однобоки: большое внимание в них уделяется вопросам улучшения технико-экономических показателей процесса электроплавки, значительно менее подробно и неполно освещены вопросы рафинирования и легирования металла, качества выплавляемой стали.
Б нашей стране одношлаковый процесс плавки стали с доводкой под окислительным шлаком к моменту начала настоящей работы (1968 г.) практически не получил распространения. Позднее по результатам настоящей работы выплавка низколегированных конструкционных сталей в 100 т печах одношлаковым процессом освоена Челябинским металлургическим заводом [II4-II6J. Имеются сообщения о применении одношлакового процесса для выплавки углеродистых конструкционных сталей на Череповецком металлургическом заводе [ioj и Уралмашза-воде [lI7].
Имеются сведения о выплавке за рубежом конструкционных сталей повышенного качества одношлаковым процессом с доводкой под окислительным ишаком и поеледугацей внепечной обработкой металла (вакуумом, инертными газами, синтетическими шлаками) ?lI8-I2I и др.]. Отечественная металлургия не имеет опыта использования технологии одношлакового процесса плавки стали в сочетании с вне-печной обработкой.
Одношлаковый процесс с доводкой под восстановленным шлаком окислительного периода применяют главным образом для выплавки стали в электропечах небольшой емкости, что объясняется сравнительной легкостью раскисления металла и шлака в небольшой печи [ 113, 122-128J. Восстановление окисленного шлака в электропечах большойемкости затруднено, поэтому одношлаковый процесс с восстановлением окисленного шлака менее перспективен для таких печей.
Особое место занимает технология выплавки под одним ишаком высоколегированных сталей, в частности,нержавеющих, производимых методом переплава легированных отходов. Этот процесс рассмотрен ниже, на примере выплавки нержавеющих сталей.
Таким образом, имеющиеся сведения свидетельствуют об экономической целесообразности применения одношлакового процесса плавки стали в дуговых электропечах. В то же время научные и технологические аспекты процесса, особенно для случая производства качественных легированных сталей освещены явно недостаточно, вследствие неполного их изучения.
Основным способом производства нержавеющих сталей до последнего времени был, а в отечественных условиях и остается, способ плавки в основной дуговой печи на легированной':шихте с использованием газообразного кислорода в качестве окислителя ?129-132,I3j. Процесс окисления углерода из расплава с высоким содержанием хрома изучен достаточно хорошо ?l3I-I36J. Никель повышает активность углерода. В присутствии никеля окисление углерода облегчается и достигаемое отношение концентраций хрома и углерода возрастает [137,138]. Несмотря на большое количество исследований процесса обезуглероживания и попыток совершенствования традиционной технологии плавки нержавеющих сталей [131,139-146,164-183 J угар хрома на плавках нержавеющих сталей остается большим, а содержание хрома в заваливаемой в печь шихте, опасаясь большого угара, ограничивают пределами 12-13$. Это приводит к большому расходу дорогого рафинированного феррохрома при производстве нержавеющих сталей.
Поэтому для отечественных условий имеет большое значение совершенствование традиционной технологии производства нержавеющей стали монопроцессом. Наиболее перспективны в этом направлении увеличение расхода углеродистого феррохрома в шихте, выбор рационального режима продувки и освоение одношлакового процесса плавки нержавеющей стали. Ряд работ в этом направлении выполнен [l38,184-195,199-203J. Однако заметного уменьшения потерь хрома во время продувки в печи пока не получено. Интересные результаты получены при вдувании аргона двумя трубками в ванну 20-тонной печи в конце продувки кислородом: уменьшение угара хрома на 0,45% и сокращение длительности продувки на 4 минуты [164]. Но такой вариант недостаточно технологичен. Использование одношлакового процесса осложняется из-за большого количества печного шлака, образующегося во время продувки и попадающего в ковш во время выпуска и осложЕшющего процесс легирования металла титаном, хотя особенности процесса легирования титаном хорошо изучены [131,207212].
Возможности интенсификации процесса раскисления сплавами кремния ишака на плавках нержавеющих сталей в значительной степени уже исчерпаны. Поэтому перспективно применение более сильных раскислителей (отходов производства алшиния, силумина) взамен части кремнийсодержащих раскислителей [204-206].
Нержавеющие стали с содержанием углерода не более 0,04% производятся в нашей стране преимущественно на свежей шихте в дуговых печах [131,213J, что сильно удорожает производство и не дает возможность увеличить объем выпуска низкоуглеродистых нержавеющих сталей, отличающихся значительно более высокой коррозионной стойкостью. Попытки наладить производство нержавеющих низкоуглеродистых сталей на легированное шихте предпринимаются на заводе "Красный Октябрь" с применением дуговой печи и установки окислительного вакуумирования. [214-217]. В лабораторных и полупромышленных условиях выполнены исследования процесса глубокого обезуглероживания легированного расплава ?158,159 и др.].
Приведенные выше данные свидетельствуют о том, что ряд вопросов, принципиально важных для интенсификации рафинирования металла и совершенствования технологии плавки стали в дуговых печах,изучен недостаточно. В частности, не решен вопрос об эффективности и целесообразности диффузионного раскисления стали. Решение этого вопроса требует подробного изучения окислительно-восстановительных потенплалов печного шлака и футеровки ванны в восстановительный период плавки. Имеются противоречивые мнения о влиянии обработки металла шлаком на загрязнение стали крупными включениями, о путях совершенствования традиционной технологии плавки нержавеющих сталей. Почти не изучены поведение легирующих и удаление примесей при выплавке легированных сталей одношлаковым процессом. Отсутствует физико-химический анализ этих процессов.
Таким образом, к началу настоящей работы (1968 г.) имелись лишь разрозненные исследования путей интенсификации процессов рафинирования металла в восстановительный период плавки. Целесообразность проведения восстановительного периода и возможность перехода на одношлаковый пронесс при плавке качественных легированных сталей в литературе не обсуждались. Отечественная электрометаллургия не имела опыта использования одношлакового пропесса и при выплавке углеродистой стали. В зарубежной литературе имелись сведения о производстве в дуговых печах рядовых сталей одношла-ковым процессом, без научного обоснования целесообразности и исследования технологических особенностей одношлакового процесса. Несмотря на большое количество выполненных исследований процесса плавки нержавеющих сталей, не было единого мнения о путях интенсификации технологии и улучшения показателей выплавки нержавеющих сталей в дуговых печах.
Задача настоящей работы - исследование закономерностей процессов рафинирования металла, научное обоснование и практическое подтверждение целесообразности интенсификации процессов рафинирования металла при выплавке легированной стаж! в основных дуговых печах за счет сокращения длительности восстановительного периода или перехода на одношлаковый процесс плавки.
2. МЕТОДИКА. ИССЛЕДОВАНИЯОсобенности выплавки и условия рафинирования металла изучали на плавках конструкционных, подшипниковых и нержавеющих сталей в дуговых печах емкостью 10,40 и 100 т Челябинского металлургического завода (ЧМЗ), удельная поверхность ванны которых соответственно равнялась 0,56; 0,32 и 0,26 м2/т.
Исследования проводили при выплавке стали по обычной, принятой на ЧМЗ технологии, особенности которой описаны в настоящей главе. По результатам исследований разрабатывались и изучались новые варианты технологии выплавки соответствующих групп сталей, которые описываются и обсуждаются в последующих главах.
Принятые на ЧМЗ варианты технологии выплавки отдельных групп сталей во время проведения исследования сводились к следующему.
Подшипниковую сталь марок U1XI5 и ШХ15СГ выплавляли по технологии ЦНИИЧМ-КМК преимущественно на свежей шихте. Окисление примесей во время окислительного периода проводили как твердыми окислителями, так и газообразным кислородом. Для хорошей дегазации металла окисляли не менее 0,3$ углерода со скоростью 0,6$ в час. Перед скачиванием окислительного шлака в ванну вводили чугун в количестве 0,5$ к массе металла. Окислительный шлак из печи скачивали по возможности полностью. После скачивания окислительного шлака ванну науглероживали молотым электродным боем или порошком кокса на 0,05.0,10$ и в металл вводили кусковые раскислители: ферромарганец, ферросилиций и алюминий (0,4 кг/т стали). Затем загружали рафинировочную шлаковую смесь, включали печь и начинали раскислять шлак порошком кокса. Раскисление металла слабокарбидным шлаком вели 35.40 минут, затем шлак превращали в белый, / раскисляя его порошком ферросилиция до конца восстановительного периода. Феррохром для легирования вводили в металл через 25.
35 минут от начала восстановительного периода. Перед выпуском шлак раскисляли порошком алшиния (0,5 кг/т стали) и производили окончательное раскисление металла кусковым алюминием (0,5 кг/т стали). Минимальная длительность восстановительного периода составляла 90 минут в 10 т печи, 100 минут в 40 т печи и 80 минут в 100 т печи. Во время выпуска металл тщательно обрабатывали белым печным шлаком.
Конструкционные стали I8X2H4BA и 35X3HM выплавляли в 10 и 40 т печах на свежей шихте и на легированных отходах. Технология периодов плавления и окислительного не отличалась от общепринятой. В конце окислительного периода в металл вводили углеродистый ферромарганец (2 кг/т стали), после чего скачивали окислительный шлак. Восстановительный период начинали, раскисляя металл небольшим количеством ферромарганца (на 0,3$ Мп в стали) и ферросилиция (на 0,15$ кремния в металле). Затем присаживали рафинировочную шлаковую смесь и включали в печь. В течение всего восстановительного периода проводили диффузионное раскисление металла белым шлаком, раскисляя шлак порошком ферросилиция. На плавках стали I8X2HBA через 30.35 минут металл раскисляли кусками сплава АМС (2,5.3,0 кг/т стали), перед выпуском проводили окончательное раскисление кусковыми ферротитаном (I кг/т стали) и алкминием (I кг/т стали). Сталь 35X3HM перед выпуском раскисляли кусковым алкминием (0,6 кг/т). Металл сливали из печи в ковш вместе со шлаком. Минимальная длительность восстановительного периода составляла 80 минут.
Конструкционную сталь марки 40Х плавили в 100 т печах на свежей шихте. Технология периодов плавления и окислительного не отличалась от общепринятой. После скачивания окислительного шлака проводили осаждающее раскисление металла кусковыми ферромарганцем и ферросилицием, присаживали шлаковую смесь для воестановительного периода. Шлак раскисляли порошком ферросилиция. Перед выпуском металл раскисляли кусковым алкминием (I кг/т). Длительность восстановительного периода составляла 60 минут.
Трансформаторную сталь выплавляли в 100 т печи на свежей шихте. В окислительный период проводили комбинированное окисление примесей твердыми окислителями и газообразным кислородом. После скачивания окислительного шлака проводили осаждакщее раскисление кусковыми силикокальцием (I кг/т стали) и ферросилицием (2 кг/т стали), присаживали в печь шлаковую смесь и начинали раскисление шлака порошком ферросилиция. Через 40 минут от начала восстановительного периода в металл присаживали кусковой ферросилиций для легирования. После расплавления ферросилиция и усвоения его ванной плавку заканчивали. Длительность восстановительного периода составляла 60.65 минут. Выпуск металла производили вместе со шлаком.
Нержавеющие стали марок 08.I2XI8HI0T выплавляли методом переплава легированных отходов по технологии,общепринятой на отечественных заводах. Для окисления углерода использовали продувку кислородом. Раскисление послепродувочных шлаков осуществляли сплавами кремния. Для легирования металла титаном меняли в печи шлак на хорошо раскисленный белый,повышенной основности. Легирование металла титаном проводили в печи. Плавку выпускали в ковш вместе со шлаком.
По ходу опытных плавок проводили хронометраж отдельных операций, отбирали пробы металла и шлака, одновременно замеряя температуру металла вольфрам-рениевой термопарой погружения. Пробы отбирали в начале и конце окислительного периода плавки; в начале, середине, конце восстановительного периода, а также из ковша после окончания слива металла из печи. Пробы металла отбиралимассивными стальными дробницами, закрытыми деревянными крышечками. Из нижней части отобранной пробы вырезали металл для изготовления микрошлифа, остальную часть пробы проковывали на пруток с сечением кв.20 мм. Из прутка вытачивали образцу для электролитического выделения неметаллических включений, пробы для определения содержания кислорода вакуумплавлением и отбирали стружку для химического анализа металла. Содержание кислорода в металле определяли методом вакуумплавления на установке EAQ-202 фирмы Бальцерс, содержание азота и прочих элементов - химическими методами, а также спектральным анализом. Пробы шлака отбирали металлической ложкой.
Для определения состава шлаков, отобранных на плавках подшипниковых и конструкционных сталей, применяли химический метод анализа, для определения состава шлаков плавок нержавевдих сталей химический и рентгеноструктурный метода.
Метода отбора проб металла в процессе выпуска, разливки подшипниковой стали для изучения состава и природы неметаллических окисных включений, а также метод отбора проб металла по глубине ванны дуговой электропечи описаны ниже в тексте соответствующих глав.
Пробы металла для определения содержания водорода отбирали ошлакованной ложкой и заливали в специальный разъемный металлический кокиль, обеспечивающий большую скорость кристаллизации металла. После извлечения из кокиля проба до момента анализа хранилась в термосе ссухим льдом (твердой углекислотой). Содержание водорода в металле определяли методом вакуумнагрева на установке системы ЛПИ.
На отдельных плавках отбирали пробы из рабочего слоя футеровки ванны. Такие пробы отбирали через рабочее окно трубкой диаметром I дюйм, насаженной на длинный стальной штырь. Для взятия пробы трубку вбивали в откос печи на 200.250 мм ниже уровня границы раздела шлак-металл. После охлаждения отобранную пробу извлекали из трубки. Состав футеровки определяли химическим методом. Время отбора проб футеровки - конец окислительного периода, середина и конец восстановительного периода плавки.
Неметаллические включения в пробах металла, отобранных по ходу плавки, и пробах готового металла изучали на шлифах и в осадке, выделенном электролитическим растворением, металлографическим, петрографическим и микрорентгеноспектральннм методами (микрозонд "Самеса").
Загрязненность стали неметаллическими включениями оценивали методами максимального балла, подсчета загрязненных полей зрения, а также линейным методом в соответствии с ГОСТ 801-60, ГОСТ 801-78 и ГОСТ 1778-70. Дня расчета активностей компонентов печного шлака применяли методы В.А.Кожеурова [218] и А.Г.Понома-ренко ^134,244]. Расчет активностей составляющих металла производили по методу К.Вагнера [219] с учетом известных величин параметров взаимодействия первого порядка [l34,22o].
Полученные результаты обрабатывали известными методами математической статистики [221.224].
3. ИССЛЩШАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ И ИНТЕНСИФИКАЦИЯ РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛА В ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД ПЛАВКИ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ПОДШИПНИКОВЫХ СТАЛЕЙУсловия рафинирования металла в восстановительный период плавки изучали при выплавке подшипниковой стали ШХ15, а также конструкционных сталей I8X2H4BA, 35X3HM, 40Х в печах разной емкости.
3.1. Изменение окисленности металла по ходу восстановительного периодаНа рис.1,2 показано изменение среднего содержания кислорода, кремния, алшиния и выделенных электролитическим растворением оксидных неметаллических включений в металле по ходу опытных плавок, проведенных в электропечах разной емкости (подробнее см.приложения I.I4). Результаты анализов проб металла для отдельных периодов плавки каждой из марок сталей отличались незначительно.
Приведенные данные показывают, что содержание кислорода в металле в конце окислительного периода плавки отличалось для разных марок стали и определялось содержанием углерода в металле. Во время восстановительного периода происходило понижение окис-ленности металла при практически постоянном содержании углерода в стали.
На плавках высокоуглеродистой подпипниковой стали (рис.1) уменьшение содержания кислорода в металле практически прекращалось через 35.55 мин от начала восстановительного периода (ввода в ванну кусковых раскислителей для осаждающего раскисления). Дальнейшая выдержка металла под белым рафинировочным шлаком, раскисляемым порошком ферросилиция, не оказывает заметногоBPEfM) ОТ НЙЧДЛЙ ВОССТ. ПЕРИОДА, мин.
Рис.1. Изменение содержания кислорода и расквслителей в металле на плавках стали ШХ151 - в 100 т печи (среднее по 6 плавкам)2 - в 40 т печи (среднее по 12 плавкам)3 - в 10 т печи (среднее по 19 плавкам)влияния на содержание кислорода в стали. Наибольшая скорость удаления кислорода из металла наблюдалась в начале периода после присадки в ванну алюминия и кремния для осаждающего раскисления. Окончательное раскисление алюминием и последующий выпуск из печи металла вместе со шлаком не приводили к заметному уменьшению содержания кислорода в стали, выплавленной в 10 и 40 т электропечах. В 100 т печи за это же время содержание кислорода в стали несколько снижалось, что можно объяснить большей окисленностыо металла перед окончательным раскислением.
Содержание алюминия в стали стабилизировалось в начале восстановительного периода и оставалось примерно на одном уровне до момента присадки алшиния для окончательного раскисления в конце периода, что свидетельствует о достаточно высокой рас-кисленности металла (приложение 9). Меньшее содержание алшиния в металле в 100 т печи вызвано более высокой окисленностью металла, шлака и футеровки ванны печи.
Общее содержание выделенных электролитическим растворением оксидных неметаллических включений в металле резко уменьшалось в первой половине восстановительного периода. За время последующей выдержки под белым шлаком снижение общего содержания оксидных включений в металле было незначительным, что вполне согласуется с характером изменения содержания кислорода в стали. После окончательного раскисления алкминием и выпуска плавки в ковш общее количество оксидных включений в металле несколько возрастало, что было вызвано как взаимодействием металла с дополнительно введенным алкминием, так и взаимодействием металла со шлаком в процессе выпуска. Доля глинозема в выделенных включениях была цри-мерно одинаковой.
При выплавке конструкционных сталей не применяли алшиний для осаждающего раскисления металла в начале восстановительного периода. Б это время металл раскисляли небольшими количествами марганца (на 0,3% марганца) и кремния (на 0,10.0,15$ кремния без учета угара), а в течение восстановительного периода проводили диффузионное раскисление металла белым шлаком.
На плавках низкоуглеродистой стали I8X2H4BA наибольшее количество кислорода из стали также удалялось в первые 35.50 минут восстановительного периода. В последующие 35.40 минут несмотря на интенсивное раскисление шлака порошком ферросилиция,Время от иячяля восст. перцодя,мм«.
Рве.Изменение содержания кислорода и раскислителей в металле на плавках конструкционной сталих - I8X2H4BA в 10 т печи (среднее по 9 плавкам) ? - I8X2R4BA в 40 т печи (среднее по 5 плавкам) о- о5ХЗНМ ь 40 т печк (сБеднее по 7 плавкам) А- 40Х в 100 т печи (среднее до 5 плавкам)уменьшение содержания кислорода в металле было незначительным (рис.2, приложения 4,5). Одновременно с понижением содержания кислорода в стали по ходу периода увеличилось содержание кремния за счет порошка ферросилиция, присаженного на шлак, что указывает на возможность протекания осаждающего раскисления металла кремнием параллельно с диффузионным раскислением. В 10 т печи, имеющей большую удельную поверхность ванны, чем 40 т печь (0,52 м^/т и 0,32 м^/т), скорость раскисления металла была большей и в конце восстановительного периода достигался более низкий уровень окисленности металла, чем в 40 т печи, что согласуется с выводами работы [27].
Из-за сравнительно высокой окисленности металла и малых количеств вводимого алюминия, содержание остаточного алюминия в стали I8X2H4BA. по ходу восстановительного периода было небольшим (рис.2, приложение 9). В заметном количестве алкминий в стали появлялся лишь после присадки кускового алюминия для окончательного раскисления в конце периода.
Содержание выделенных электролитическим растворением оксидных включений в пробах стали I8X2H4BA уменьшалось в течение всего восстановительного периода, но быстрее в начале периода.
На плавках стали 35X3HM в 40 т печи содержание кислорода в металле заметно понижалось в первой половине восстановительного периода (35.40 минут), дальнейшая выдержка металла под раскисленным белым шлаком не приводила к существенному снижению окисленности металла, которая уменьшалась лишь в результате окончательного осаждающего раскисления (рис.2, приложение 6). В течение периода постепенно увеличивалось содержание кремния в металле за счет присадок порошка ферросилиция на шлак.
При выплавке средиеуглеродиетой стали 40Х и малоуглеродистой трансформаторной стали в 100 т печи решающую роль в раскислении металла играли присадки кусковых раскислителей (рис.2,3). Присадка кускового ферросилиция для предварительного раскисления стали 40Х в 100 т печи и введение кускового алкминия для окончательного раскисления вызывали быстрое уменьшение содержания кислорода в металле (рис.2). Раскисление шлака порошком ферросилиция приводило к медленному уменьшению содержания кислорода и повышению содержания кремния в металле.
Наибольшая скорость удаления кислорода из металла на плавках трансформаторной стали наблюдалась после введения в металл силикокальция для предварительного осаждающего раскисления в начале периода и ферросилиция для легирования металла в середине периода. При раскислении шлака порошком ферросилиция содержание кремния в металле увеличивалось, одновременно медленно снижалась окисленность металла (рис.3).
Таким образом, независимо от емкости печи и содержания углерода в выплавляемой стали, основная часть кислорода удаляется из металла в первые 35.55 минут восстановительного периода, как в случае осаждаицего раскисления металла в начале периода алшинием, так и без него. Последующая выдержка металла под раскисленным шлаком либо не приводит к уменьшению содержания кислорода в металле (выплавка подшипниковой стали), либо это уменьшение незначительно (выплавка конструкционных сталей без раскисления металла алшинием в начале периода).
Следует отметить, что раскисление низко и среднеуглеродис-тых сталей порошками кокса и ферросилиция через шлак носит в определенной степени осаждающий характер. Чисто диффузионное раскисление металла в восстановительный период плавки было бы возможно, если бы при активности кислорода в металле, большей равновесной со шлаком и большей, чем в металле, активности раскис-лителя в шлаке скорость его перехода в металл была бы меньшеш ?0080 SfftOfiQ0040 0Q2G3,00es^гоош'ь4 в ь а-оО 20 40 60 во ЗР?МЯ ог мидпй вот. периодаРис.3. Изменение содержания кислорода и кремния в металле по ходу плавок трансформаторной стали в 100 т печи ( среднее по 7 плавкам)скорости перехода кислорода из металла в шлак. Скорости массопе-реноса в объеме металла и шлака кислорода с одной стороны и углерода и кремния с другой вследствие конвективного перемешивания ванны близки. Лимитирущей стадией процесса может быть диффузия через ламинарные пленки на границе раздела фаз. Согласно [l34] величина коэффициента скорости диффузии кислорода в жидком железе имеет порядок 1СГ4 см2/сек. По данным [l34,I47j коэффициент скорости диффузии углерода в железе равен 7'10^см2/ сек. Коэффициент скорости диффузии кремния в железе равен 3,8-КГ5 см2/сек [134] или 28-КГ4 см2/сек [228]. Видно, что величины коэффициентов скорости диффузии кислорода, кремния и углерода в жидком железе одного порядка, а концентрации кремния и углерода значительно выше, что обеспечивает большую скорость их диффузии в ламинарной металлической пленке.
Об этом же говорят и данные (табл.1) анализа проб металла, отобранных по глубине ванны дуговой печи по ходу восстановительного периода плавки, свидетельствущие об отсутствии заметной разницы в содержании кислорода и кремния в металле по глубине ванны 10 и 100 т печи.
3.2. Изменение состава печных шлаков по ходу восстановительного периодаИзменение содержания основных к омпонентов печного шлака в восстановительный период плавки подшипниковой стали показано на рис.5 (см.также приложе ния 15.23).
Основность шлака на плавках подшипниковой стали существенно уменьшалась к концу периода из-за увеличения содержания кремнезема в результате присадок порошка ферросилиция и добавок шамотного боя.
Содержание оксидов железа, пересчитанное на содержание закиси железа, было минимальным в середине восстановительного периода плавки, через 35.55 минут от начала восстановительного периода. В конце периода содержание оксидов железа в шлаке увеличивалось, несмотря на продолжавшееся раскисление шлака порошками ферросилиция и алшиния. Это может быть вызвано следующими причинами.
1. К концу периода в шлаке возрастают содержание и активность кремнезема, что затрудняет раскисление шлака ферросилицием в связи с уменьшением раскислительной способности кремния;2. Повышающаяся к концу периода вследствие возрастания конО 2D 40 60 80Время отнмяпя восот. периода,МММ,Рис,5» Изменение состава шлака в восстановительный период плавки подшипниковой. стали1 - в ЮС т печи (среднее по 7 плавкам)2 - в 40 т печи (среднее по 10 плавкам)3 - в 10 т печи (среднее по 10 плавкам)центрации оксида магния вязкость шлака замедляет процессы мас-сопереноса в шлаке.
3. Частицы разрушающейся футеровки ванны вносят в шлак некоторое количество оксидов железа.
В 100 т печи шлак в течение восстановительного периода плавки подшипниковой стали содержал большее количество оксидов железа, чем в малой и средней электропечах. Этому способствовали неполное удаление окислительного шлака из печи, интенсивное разрушение футеровки ванны, приводящее к увеличению содержания оксида магния в шлаке и повышению его вязкости, невозможность перемешивания ванны, недостаточная герметизация 100 т печи.
Содержание оксида магния в печном шлаке увеличивалось в течение всего восстановительного периода и достигало в конце периода значительных величин. С увеличением емкости печи усложняются условия очистки и заправки печи, ухудшается качество заправки. Поэтому с увеличением емкости печи возрастало количество оксида магния в печных шлаках, особенно в конце восстановительного периода. Этому способствовали также более высокое вторичное напряжение и более длинные мощные дуги в крупных печах.
Содержание оксидов марганца и хрома в шлаках на протяжении всего восстановительного периода было небольшим и практически постоянным. Содержание глинозема в шлаках также почти не менялось. Количество фторида кальция в шлаках несколько уменьшалось к концу периода.
Таким образом при выплавке подшипниковых и конструкционных сталей в электропечах минимальное содержание оксидов железа в шлаке, как правило, наблюдается в середине восстановительного периода. В это же время содержание оксида магния в шлаке невелико и обычно не превышает 12%, к концу восстановительного периода в шлаках увеличивается содержание оксидов железа, магния и кремния.
3.3. Термодинамическое исследование окислительно-восстановительного потенциала шлака и футеровки ванны в восстановительный период плавкиЧтобы оценить степень влияния печного рафинировочного шлака на процесс раскисления стали сравнили реальные соотношения между активностью оксида железа в печном шлаке и активностью кислорода в металле с равновесными, полученными К.Феттерсом и Д.Чипманом [230] в лабораторных условиях. Для повышения достоверности проводимого термодинамического анализа активность оксида железа в печных шлаках восстановительного периода рассчитывали по методам В.А.Кожеурова [218] и А.Г.Пономаренко [ 134,244].
Используя метод В.А.Кожеурова, ионные доли катионов и анионов определяли по выражениям Г 2311 :? \+ К Гz. Vij hii ^^ruiу. -id2- • Ц'-j^-J.i
