2.2.4. Рафинирование стали

Присутствующие в стали неметаллические включения (оксиды, нитриды, сульфиды) и газы (водород и азот) резко снижают ее прочностные и эксплуатационные характеристики. В связи с этим разработано большое количество способов очистки стали, которые можно разделить на две группы. К первой группе относятся методы, которые предусматривают рафинирующую обработку после выпуска стали из печи перед ее разливкой. Это обработка расплавленной стали синтетическими шлаками и многочисленные способы обработки вакуумом. Ко второй группе относятся методы, предполагающие повторный переплав стали после ее затвердевания в изложницах. Широко применяются электрошлаковый, вакуумно-дуговой, электронно-лучевой, плазменно-дуговой переплавы и их сочетания.

На рисунке 2.2.14. схематически представлены наиболее часто встречающиеся способы рафинирования: обработка синтетическим шлаком (а), вакуумная дегазация (6), электрошлаковый (в) и вакуумно-дуговой (г) переплавы.

Для обработки синтетическим шлаком (рис.2.9, а) смесь, состоящая из 45% СаО, 40% А1₂0₃, 10% MgO и 5% CaF₂ и содержащая менее 3% Si0₂ и 0,5% FeO, расплавляется в отдельной электродуговой печи и в виде жидкого шлака 3 заливается в ковш 2 для обработки. Сталь из стопорного ковша 1 пропускается через слой шлака. Тонкие струи или отдельные капли, проходя через шлак, очищаются от сульфидов и растворенных газов. При этом содержание серы снижается на 50 – 70%, а число неметаллических включений – в 1,5 раза, в результате чего резко возрастают прочностные характеристики стали, особенно ударная вязкость.

Сущность очистки заключается в том, что любая примесь всегда в некоторой пропорции распределяется между шлаком и металлом. Чистый синтетический шлак быстро растворяет примеси, а дробление струи увеличивает поверхность контакта, облегчая переход примесей и включений из металла в шлак.

Вакуумную дегазацию (рисунке 2.2.14, б) целесообразно сочетать с раскислением. Образующиеся при этом пузырьки СО и Н₂, всплывая на поверхность, захватывают неметаллические включения и переводят их в шлак. Простейший способ вакуумирования заключается в выдержке ковша 4 с расплавом в течение 12 – 15 мин под давлением 0,05 – 0,1 МПа в автоклаве 5, герметически закрываемом крышкой 6.

Электрошлаковый переплав (рисунок 2.2.14., 6) считается наиболее эффективным методом рафинирования, так как после него содержание серы снижается до 0,005%, а количество оксидов и сульфидов уменьшается вдвое. Для начала процесса на медный поддон 7 устанавливают расходуемый электрод 9 и водоохлаждаемую изложницу 8. В зазор между ними засыпается флюс, содержащий А1₂О₃, СаО и CaF₂. При включении тока между поддоном и электродом загорается электрическая дуга, которая расплавляет флюс.

Расплав флюса гасит дугу, и процесс автоматически переходит в электрошлаковый, при котором тепло выделяется за счет электросопротивления шлака. Электрод из обычной стали расплавляется в шлаке и капли 11. проходя через слой шлака 10, очищаются от примесей и скапливаются под шлаком в виде ванночки 12, питающей растущий вверх слиток 13.

Вакуумно-дуговой переплав (рисунок 2.2.14., г) внешне похож на электрошлаковый, но расплавленный металл не проходит через слой шлака, а между ванночкой расплавленной стали 12 и расходуемым электродом 9 постоянно горит электрическая дуга. Очистка, в основном от газов и частично от неметаллических включений, объясняется наличием вакуума в камере 14 и направленной кристаллизацией слитка