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

Внепечное рафинирование стали в металлургии

Обработка стали вакуумом в металлургии влияет, как известно, на протекание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза.

Газовая фаза образуется, в частности, при протекании реакции окисления углерода (образование СО), при протекании процессов выделения растворенных в металле водорода и азота, а также процессов испарения примесей цветных металлов.

В стали практически всегда содержится определенное количество углерода. Равновесие реакции [С] + [О] = COгаз, К = Pсо/а[C]а[O] при обработке вакуумом сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя окись углерода.

В тех случаях, когда кислород в сплаве находится в составе оксидных неметаллических включений, снижение давления над расплавом приводит в результате взаимодействия с углеродом к частичному или полному разрушению этих включений:

  • (MeO) + [C] = Me + COгаз

Более слабые включения, такие например, как MnO или Cr2O3, восстанавливаются почти нацело; для восстановления более прочных включений, таких, например, как Al2O3 или TiO2, требуется очень глубокий вакуум. Снижение концентрации кислорода в сплаве ("окисленности" металла) при обработке вакуумом за счет реакции окислениия углерода получило название "углеродное раскисление стали".

Обработка металла вакуумом влияет и на содержание в стали водорода и азота. Выше было сказано, что содержание водорода в стали определяется при прочих равных условиях давлением водорода в газовой фазе. При снижении давления над расплавом равновесие реакции 2[Н] = Н2газ сдвигается вправо. Водород в жидкой стали отличается большой подвижностью, коэффициент диффузии его достаточно велик (DH = 1,2-1,5 * 10-3 см/с), и в результате вакуумирования металлопродукции значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из сплава.

Равновесие реакции 2[N] = N2газ при снижении давления также сдвигается вправо, однако азот в стали менее подвижен, коэффициент диффузии его в жидком железе на порядок меньше, чем водорода [D = (1*4) • 10-4 см/с], в результате интенсивность очищения сплава от азота под вакуумом значительно ниже, чем от водорода. Требуются более глубокий вакуум и продолжительная выдержка, чтобы достигнуть заметного очищения металла от азота.

Процесс очищения металла от водорода и азота под вакуумом ускоряется одновременно протекающим процессом выделения пузырьков окиси углерода. Эти пузырьки интенсивно перемешивают сталь и сами являются маленькими "вакуумными камерами", так как в пузырьке, состоящем только из СО, парциальные давления водорода и азота равны нулю. Таким образом, при обработке стали вакуумом в нем уменьшается содержание растворенных кислорода, водорода, азота и содержание оксидных неметаллических включений; в результате выделения большого количества газовых пузырьков сталь перемешивается, становится однородным, происходит "гомогенизация" расплава, соответственно мтеллопрокат и металлопродуция из таких сталей будет более высококачественной.

Кроме того, в тех случаях, когда сталь содержит в повышенных концентрациях примеси цветных металлов (свинца, сурьмы, олова, цинка и др.), заметная часть их при обработке вакуумом испаряется.

Необходимо иметь в виду, что при обработке вакуумом испаряется также и железо и полезные примеси (очень интенсивно, например, испаряется марганец). Однако эти потери становятся ощутимыми лишь при очень глубоком вакууме и очень длительной выдержке.

Продувка стали инертными газами

Такой вид рафинирования стали как продувка металла инертными газами в известной мере влияет на качество готовой металлопродукции так же, как обработка вакуумом. При продувке инертными газами массу стали пронизывают тысячи пузырьков инертного газа (обычно аргона). Каждый пузырек представляет собой маленькую "вакуумную камеру", так как парциальные давления водорода и азота в таком пузырьке равны нулю. При продувке инертным газом происходит иненсивное перемешивание сплава, усреднение его состава; в тех случаях, когда на поверхности металла наведен хороший шлак, перемешивание облегчает протекание процесса ассимиляции таким шлаком неметаллических включений; если этот шлак имеет высокую основность (а также малую окисленность) происходит и десульфурация стали.

Когда хотят получить сталь с особо низким содержанием углерода (например, особо качественную нержавеющую сталь или металлопрокат), кислород, подаваемый для продувки ванны, разбавляют инертным газом, при этом равновесие реакции O2 + 2[С] = 2СОгаз сдвигается вправо, так как в газовой фазе в составе продуктов реакции, кроме оксидов углерода, будет находиться и инертный газ, и парциальное давление Pсо уменьшится. Масса пузырьков инертного газа сама облегчает процессы газовыделения, так как эти пузырьки являются готовыми полостями с развитой поверхностью раздела для образования новой фазы.

Необходимо иметь в виду, что продувка стали инертным газом сопровождается снижением температуры сплава (газ нагревается и интенсивно уносит тепло), поэтому ее часто используют для регулирования температуры металла в ковше.

Технически операция продувки больших масс металла инертными газами в ковше проще и дешевле, чем обработка стали вакуумом, поэтому там, где это возможно, продолжительная по времени продувка инертными газами, проводимая через пористые пробки в днище ковша или через полый стопор, заменяет обработку вакуумом. Во многих случаях продувку стали инертным газом проводят одновременно с обработкой вакуумом, так как вызываемое продувкой энергичное перемешивание металла ускоряет процессы вакуумирования, делает вакуумирование более эффективным. В качестве инертного газа чаще всего используют аргон. Когда это возможно, при производстве стали простых марок для металлопродукции обычного качества, невысоких температурах, аргон заменяют более дешевыми газами (азотом или даже паром).

Таким образом при продувке стали инертными газами достигают:

  • энергичного перемешивания сплава, облегчения протекания процессов удаления в шлак нежелательных примесей;
  • усреднения состава металла;
  • уменьшения содержания газов в стали;
  • облегчения условий протекания реакции окисления углерода;
  • снижения температуры металла.

Перемешивание стали синтетическим шлаком в металлургии

Перемешивание стали со специально приготовленным ("синтетическим") шлаком также является способом рафинирования стали и позволяет интенсифицировать переход в шлак тех вредных примесей, которые удаляются в шлаковую фазу: серы, фосфора, кислорода (в виде оксидных неметаллических включений). В тех случаях, когда основная роль в удалении примеси принадлежит шлаковой фазе, скорость процесса пропорциональна величине площади межфазной поверхности.

Обычно способ обработки стали синтетическим шлаком используют прежде всего для удаления серы, поэтому основой искусственно синтетического шлака является СаО; для снижения температуры плавления в состав шлаковой смеси вводят Al2О3 или другие добавки. Поскольку в таком шлаке практически нет оксидов железа, он является одновременно хорошим раскислителем. Если ставится задача очистки сплава от неметаллических включений определенного состава, то соответственно подбирают состав синтетического шлака. Во всех случаях задача заключается, во-первых, в получении шлака нужного состава и, во-вторых, в разработке способа получения максимальной поверхности контакта шлаковой и металлической фаз.

Продувка стали порошкообразными материалами в металлургии

Такое рафинирование сплава как вдувание в сталь порошкообразных материалов также имеет целью обеспечить максимальный контакт вдуваемых твердых реагентов с металлом. Вместе с тем положительная сторона метода состоит в том, что реагент в сталь вдувается струей газа-носителя, который сам оказывает определенное воздействие на сталь. Газомносителем может быть и окислитель (например, кислород или воздух), и восстановитель (например, природный газ), и нейтральный газ (например, аргон). Для удаления фосфора в струе кислорода в сталь вдувают твердую смесь, состоящую из извести, железной руды и плавикового шпата, для удаления серы в металл вдувают в струе аргона смесь извести и плавикового шпата.

Плавиковый шпат вводится в состав смесей для повышения жидкотекучести шлака. Этим способом можно вдувать в сталь (в струе нейтрального или восстановительного газа) такие сильнодействующие реагенты, которые из-за больших энергий взаимодействия и соответствующего пироэффекта обычными способами вводить в сталь нельзя (кальций, магний) или из-за их вредного действия на здоровье опасно (свинец, селен, теллур).

Ускоренная или направленная кристаллизация сплава имеет целью улучшить структуру слитка, ликвидировать или уменьшить ликвацию, центральную рыхлость и пористость и тому подобные пороки. Скорость кристаллизации слитка стали пропорциональна разности температур у фронта кристаллизации и на поверхности слитка. Чем больше масса слитка, тем медленнее он кристаллизуется и тем сильнее в обычных условиях развиваются ликвационные и другие неприятные явления.

Искусственное охлаждение слитков стали (применяемое, например, при непрерывной разливке стали) ускоряет процесс кристаллизации и положительно влияет на качество слитка. Регулируя время пребывания металла в жидком состоянии в изложнице или кристаллизаторе и интенсивность охлаждения металла, можно обеспечить получение такого слитка, у которого вообще не будет центральной менее плотной и более обогащенной ликватами зоны беспорядочно ориентированных кристаллов.

Обычно для интенсивного охлаждения поверхности слитка (непосредственно или через стенки кристаллизатора) пользуются водой.

Эти общие положения рафинирования стали на практике реализуют в результате использования того или иного способа и агрегата из большого многообразия методов повышения качества выплавляемых сталей и конечной металлопродукции (стальных профилей, уголков, листов и других видов металлопроката).

Источник [4] → список литературы.

Читайте также:

Вернуться в начало раздела: Сталь и ее внепечная обработка
Вернуться на главную: Черная металлургия