Доменное пр-во
Электрометаллургия
Конвертерное пр-во
Разливка стали
Популярные материалы

Производство нержавеющей и жаропрочной стали методом переплава

В настоящее время из нескольких возможных вариантов производства наиболее распространенной аустенитной коррозионностойкой стали марки Х18Н9Т (за рубежом этой марке соответствует сталь 18-8) и ряда аналогичных марок применяют практически один — плавку методом переплава с использованием газообразного кислорода.

При производстве нержавеющей и жаропрочной стали, метод переплава позволяет использовать в шихте большое количество отходов стали высоколегированных марок и обеспечивает высокое использование содержащихся в шихте легирующих элементов. Однако надо иметь в виду, что при переплаве отходов без окисления в дуговых печах происходит науглероживание металла электродами, а это требует, чтобы по расплавлении содержание углерода было ниже допустимых пределов в нержавеющей и жаропрочной стали. Это обстоятельство ограничивает возможности использования высоколегированных отходов и вынуждает включать в состав шихты определенное количество заготовки из специально выплавляемого малоуглеродистого и чистого по фосфору и сере мягкого железа.

Включение в состав шихты дорогостоящего мягкого железа отрицательно сказывается на себестоимости нержавеющей и жаропрочной стали.

Нецелесообразно также использовать высокохромистые отходы и на плавках с окислением, так как вследствие не очень большой разницы в сродстве к кислороду углерода и хрома даже при сравнительно низком содержании хрома (более 1,0%) трудно окислить углерод, не окисляя при этом хром.

Но сродство к кислороду у хрома и у углерода с изменением температуры меняется неодинаково: с повышением температуры сродство хрома к кислороду уменьшается, а сродство углерода возрастает. Поэтому чем выше температура, тем до более низких концентраций можно окислить углерод (при одном и том же содержании хрома) без окисления хрома.

Влияние температуры на соотношение равновесных концентраций хрома и углерода в металле можно описать уравнением

  • lg [Cr, %]/[C, %] = - 13800/T +8,76.

Рассчитанные по этому уравнению линии равновесных концентраций для ряда температур представлены на рис. 1.

Схема расположения кристаллов в листе электротехнической текстурованной стали
Рисунок.1 Зависимость содержания углерода в металле от содержания хрома и температуры:
А — область хромитов; В — область шпинелей; С — область Cr2O3

Из приведенных на рисунке данных видно, что при обычных для сталеплавильной ванны температурах окислить углерод до 0,1% можно лишь при содержании в металле хрома менее 3%. Но уже при температуре 1800° С таких концентраций углерода можно достичь при содержании хрома, составляющем примерно 15%.

Применение при производстве нержавеющих и жаропрочных сталей газообразного кислорода позволяет быстро повысить температуру металла и при высокой температуре окислять углерод. Технология выплавки нержавеющих сталей переплавом с окислением углерода газообразным кислородом исключает опасность непопадания в химический состав по углероду и позволяет использовать в завалку большое количество высокохромистых отходов, причем высокое содержание углерода в шихте не затрудняет получение низкоуглеродистого металла, а допустимое содержание хрома в шихте при этом определяется только содержанием углерода в готовой стали и температурой металла в конце продувки.
Рекомендуются следующие соотношения:

Предельное марочное содержание углерода, % 0,06 0,08 0,10 0,12
Расчетное содержание хрома в шихте, %7,0 8,0 9,0-12,0 12,0-14,0

Для получения 12,0—14,0 %Cr в металлической шихте в завалку можно давать до 70% отходов стали, выплавляемой или аналогичной ей. Недостающее количество никеля вводят в завалку в виде металлического никеля, никелевых сплавов или закиси никеля. Если нержавеющая или жаропрочная сталь содержит молибден, то недостающее количество молибдена в виде ферромолибдена включают в завалку или в виде молибдата кальция присаживают в конце плавления.

Для защиты хрома от окисления в период плавления и более быстрого повышения температуры ванны при продувке целесообразно, чтобы в завалке содержалось 0,7—0,9% Si. Недостающее количество кремния вводят в виде силикохрома, ферросилиция или отходов кремнистых марок стали.

При производстве нержавеющей и жаропрочной стали, в завалку желательно вводить 20—25% отходов трансформаторной стали. Эта сталь содержит 3—4% кремния, поэтому она вносит необходимое количество кремния, что позволяет отказаться от присадок в завалку более дорогих кремнистых сплавов. Кроме того, трансформаторная сталь содержит очень мало фосфора, что гарантирует попадание в заданный состав по фосфору. При отсутствии отходов трансформаторной стали в завалку для разбавления фосфора необходимо вводить отходы малофосфористых углеродистых сталей.

Для хорошей дегазации металла во время кипения шихта должна вносить не менее 0,3% углерода. При необходимости науглероживания электродный бой или кокс дают на подину перед завалкой. На подину присаживают, кроме того, известь (0,5—1,0%) и иногда для уменьшения угара хрома дают хромистую руду (0,5%).

При производстве нержавеющей и жаропрочной стали, плавление ведут на максимальной мощности со снижением ее к концу периода. После расплавления 70—80% шихты начинают продувку ванны кислородом. Это позволяет сократить продолжительность периода плавления и уменьшить расход электроэнергии. Но ранняя продувка, когда в печи имеется много нерасплавившейся шихты, сопряжена с большим угаром хрома, для уменьшения угара которого начинать продувку надо ближе к концу плавления.

С целью более быстрого нагрева ванны продувку ведут на включенной печи. За счет тепла экзотермических реакций окисления кремния, хрома и железа и нагрева металла электроическими дугами его температура быстро увеличивается. При определенной температуре, зависящей от содержания в металле хрома и углерода, начинается окисление углерода. Этот момент фиксируется по появлению из печи светящегося пламени.

После этого печь отключают, отбирают пробу на полный химический анализ и продолжают продувку ванны до получения необходимого содержания углерода.

В процессе продувки ванна сильно перегревается и температура металла может достигнуть 1800° С и более. Такая высокая температура металла отрицательно сказывается на стойкости футеровки печи. Поэтому после окончания продувки ванну быстро раскисляют силикомарганцем или силикохромом и ферромарганцем и присаживают расчетное количество подогретого докрасна феррохрома. Для более быстрого охлаждения металла на некоторых заводах дополнительно присаживают до 5% чистых отходов стали выплавляемой марки.

Предварительное глубинное раскисление ванны силикохромом, силикомарганцем и ферромарганцем предотвращает окисление хрома, вносимого феррохромом, и способствует восстановлению хрома из шлака.

К концу продувки шлак обычно содержит 30-45% Cr2O3, 10-25% MgO, 15-20% SiO2, 3-10% CaO, 5-10% MnO, 5-15% FeO, 5-10% Al2O3, 2-6% Ti2O3. Высокое содержание тугоплавких окислов хрома в шлаке делает его гетерогенным, очень вязким и малоактивным.

Для восстановления хрома из шлака его обрабатывают порошками силикохрома или ферросилиция, забрасывая их под электроды, где шлак более жидкоподвижен. Раскисление силикохромом предпочтительнее, так как при этом металл одновременно легируется хромом. Силикохром значительно дешевле безуглеродистых сортов феррохрома, поэтому легирование хромом из силикохрома целесообразнее.

В результате раскисления шлака кремнием он обогащается кремнеземом. Если по ходу раскисления в шлак не давать дополнительно извести, то в печи сформируется кислый шлак с основностью hавной 0,6-0,8. Накопление SiO2 в шлаке замедляет процесс восстановления хрома кремнием, поэтому такие шлаки содержат 15—25% Cr2O3.

Понизить содержание окислов хрома в шлаке можно присадками извести. СаО понижает активность кремнезема в шлаке и тем самым способствует восстановлению хрома кремнием. Но присадки извести увеличивают количество шлака, что даже при низком содержании окислов хрома в шлаке может явиться причиной больших потерь хрома со шлаком. Поэтому нецелесообразно, чтобы основность шлака была более 1,5—1,6. Такие хорошо раскисленные полукислые шлаки содержат менее 7% хрома, что обеспечивает извлечение из шихты до 95% хрома.

Полукислые шлаки, однако, не могут извлекать из металла серу и окисляют значительное количество титана, присаживаемого в печь. Поэтому полукислые шлаки после тщательного раскисления силикохромом, ферросилицием, а затем силикокальцием или алюминием полностью скачивают. Вместо полукислого шлака присадками извести и плавикового шпата (в соотношении 4 : 1) наводят высокоосновной восстановительный шлак, под которым проводят легирование титаном. Перед присадкой ферротитана шлак обрабатывают порошком алюминия.

Поскольку плотность титана меньше плотности железа, присадки ферротитана обогащают титаном главным образом верхние слои расплава. Для равномерного его распределения по всему объему ванны требуется тщательное перемешивание металла, осуществляемое на печах малой емкости металлическими гребками вручную, а на крупных печах — с помощью механизма электромагнитного перемешивания. После перемешивания металла в течение 6-8 мин плавку сливают.

На степень усвоения титана, при производстве нержавеющих и жаропрочных сталей, кроме состава шлака, сильное влияние оказывает температура металла. Высокая температура способствует протеканию эндотермической реакции окисления титана кремнеземом шлака. Поэтому чем выше содержание кремнезема в шлаке и температура металла и шлака, тем меньше усваивается титан. Обычно это усвоение составляет 45—50% присаживаемого в печь титана в виде ферротитана.

С целью повышения технологических свойств нержавеющие и жаропрочные стали в последнее время часто легируют малыми добавками редкоземельных металлов и бора. Микролегирование редкоземельными металлами (на 0,05-0,3%) и бором (на 0,005—0,01%) осуществляют в печи вручную с помощью штанг за 2—3 мин до выпуска, а в ковше или при разливке — присадкой в центровую.

При выплавке аустенитных нержавеющих сталей необходимо уделять внимание получению такого химического состава металла, который обеспечивал бы однородность структуры. Наличие ферритной составляющей (альфа-фазы) в аустенитных сталях затрудняет деформацию металла в горячем состоянии. Между тем нержавеющие стали аустенитного класса наряду с аустенитообразующими элементами (никелем и марганцем) содержат в больших количествах элементы (хром, титан, кремний), способствующие образованию феррита. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы содержание хрома и титана в стали было ближе к нижнему допустимому пределу.

Однако с уменьшением содержания хрома и особенно титана увеличивается склонность стали к интеркристаллитной коррозии. В этой связи приходится находить средние решения. В частности, рекомендуют иметь в готовом металле содержание хрома в пределах 17,2-17,8%.

Источник [4] → список литературы.


Вернуться в начало раздела: Плавка стали в открытых электропечах
Вернуться на главную: Черная металлургия