8.6. Обробка сталі у ковші нейтральним газом

Серед методів ковшової металургії найбільше поширення одержала продувка металу нейтральними газами. При продувці зменшуються хімічна неоднорідність сталі у ковші, вміст газів у металі, відбувається вирівнювання температури металу, відмічається видалення у шлак неметалевих включень.

Продувку сталі газом нерідко поєднують з іншими способами ковшової обробки, на­приклад, з обробкою твердими шлакоутворюючими сумішами, подачею алюмінієвого дро­ту та ін.

Для подачі газу в сталь використовують заглибні фур­ми або дуттєві пристрої, встановлювані у днищі ковша (час­тіше пористі вставки).

В даний час установки для обробки сталі за допомо­гою заглибних фурм є в багатьох конвертерних цехах. Вони можуть розташовуватись у розливному, ковшовому і спеці­алізованих прольотах.

Заглибні фурми в більшості випадків являють собою фу-теровані вогнетривкими катушками сталеві труби зовнішнім діаметром 43-57 мм і стінкою завтовшки 10-12 мм. Схема фур­ми представлена на рис. 8.38.

Діаметр циліндричного каналу для виходу газу складає від 8 до 32-35 мм. Канали можуть виконуватися також щі­линними і конічними.

Використовують заглибні фурми з Г- і Т-подібними со­плами.

Для футеровки фурм використовують, як правило, алю­мосилікатні і високоглиноземисті матеріали, що містять 75% і більше глинозему (решта - кремнезем). У деяких випадках футеровку фурм виконують комбіновано: в зоні шлакового пояса встановлюють цирконієві вогнетриви, решта - алюмо­силікатні або високоглиноземисті.

В якості інертних газів для продувки металу заглибни­ми фурмами застосовують аргон і азот, які надходять у фур­му під тиском 0,2-0,8 МПа. При цьому забезпечуються їх витрати від 20 до 120, а в окремих випадках і до 200 м3/год. Найчастіше значення витрат інертного газу знаходяться в діапазоні 40-80 м3/год. У кожному конкретному випадку кри­терієм витрат інертного газу є поведінка сталі у ковші: не повинно бути надмірного вирування, виплескувань і т.п. До введення фурми в метал з ме­тою запобігання забивання сопла встановлюють витрати газу близько 0,5 м3/хв., доводячи їх до номінальних після занурення фурми на задану глибину.

Тривалість продувки залежить від ряду початкових умов і змінюється від 3 до 16 хви­лин, причому процес продувки може уриватися, зокрема, для виміру температури металу або для введення, при необхідності охолоджування металу більш ніж на 20°С, сляба з подаль­шим відновленням продувки.

Значний вплив на результати обробки сталі мають глибина занурення фурми і її поло­ження відносно осі ковша.

Глибина занурення фурми на ковшах різної ємкості складає 2,7-4,5 м. При цьому, від­стань від торця фурми до днища ковша витримують в межах 200-1200 мм. Збільшення глибини занурення фурми забезпечує більш ефективне досягнення хімічної однорідності сталі.

Інтенсифікацію масо- і теплообмінних процесів у ковші багато дослідників відзначають при асиметричному розташуванні фурми відносно осі ковша. Зміщення фурми на 1/3-1/2 його радіуса від осі до стінки ковша скорочує тривалість повного перемішування (вирівню­вання хімічного складу і температури) на 20-30%.

Проте одним з істотних показників ефективності застосування заглибних фурм є їх стійкість. За різними даними, вона коливається від 1 до 13-20, в деяких випадках - до 50 плавок. Як правило, середня стійкість фурм складає близько 6-7 плавок.

Причиною виходу фурми з експлуатації може бути затягування сопла металом і шла­ком або його забивання при швидкості витікання інертного газу із сопла менше 20 м/с. Аналогічне явище спостерігається і при газопорошковій продувці.

Основним чинником, який визначає термін служби заглибних фурм, є стійкість їх вог­нетривкої футеровки. Найбільш інтенсивно фурми руйнуються в зоні шлакового пояса, роз­міри якого по висоті складають 300-500 мм.

Серед відомих способів подачі нейтрального газу знизу доцільно виділити два найпо­ширеніших: продувку через шиберний затвор і через пористі вставки.

Перевагою цих способів вважають краще використання енергії перемішування газами при відносно низьких витратах на здійснення процесу. Відзначається також більше вирів­нювання хімічного складу сталі і її температури, позитивний вплив донної продувки на змен­шення вмісту кисню і оксидних включень.

Продувка через пористі вставки

Основною характеристикою дуттєвого пристрою-вставки є газопроникність вогне­тривкого матеріалу. З одного боку, вона повинна забезпечувати високу інтенсивність пода­чі газу, з іншого - навіть за відсутності тиску його, виключити проникнення сталі або шлаку в пори вставки. Досвід експлуатації пористих вставок показав, що обидві умови реалізу­ються одночасно при діаметрі пор від 0,6 до 1 мм. Ці значення визначаються феростатич­ним тиском стовпа металу в ковші, температурою металу і кутом змочування металом вог­нетриву.

Установка для продувки монтується у днищі ковша (рис. 8.39) і включає два основні елементи: продувочну пористу вставку і гніздову цеглу.

Вставка має листову металеву оболонку. Підведення нейтрального газу здійснюють по патрубку. Гніздова цегла і вставка виступають над рівнем днища ковша, що запобігає утворенню настилів на поверхні вставки після розливання. Весь пристрій кріпиться до зов­нішньої частини днища ковша. У днищі можуть встановлюватись одна або кілька продувних систем.

Як правило, вставка має конусоподібну форму, яка забезпечує краще її закріплення у гніздовій цеглі і полегшує заміну вставки, що вийшла з ладу, на нову.

Продувні вставки виготовляють із якісних високоглиноземистих і основних вогнетри­вів - з кожного окремо, або в різних поєднаннях. Зокрема, відоме застосування вставок, в яких зона контакту з металом складалася з магнезиту, а нижня частина - з глинозему.

Окрім складу вогнетривкого матеріалу, велике значення для експлуатаційних характе­ристик вставки має вид ЇЇ пористості. Технологія виготовлення вставок дозволяє виробляти цеглу з неорієнтованою і орієнтованою (направленою) пористістю, причому направлена по­ристість може створюватися особливим способом лиття з вібрацією.

Подачу газу в метал з мінімальними втратами тиску забезпечують вставки з направленою пори­стістю: в тілі вогнетриву канали для проходження газу орієнтовані вертикально. Вставки цього типу мають також високі міцність, стійкість проти розмиву і шла­костійкість, що можна пояснити більш високою гус­тиною вогнетривів і наближенням Їх властивостей і складу до аналогічних параметрів футеровки ковшів.

Знос вогнетривкого матеріалу вставок викли­каний механічними і хімічними впливами. У першому випадку вставка розмивається сталлю при заповнен-

ні ковша, при випуску і під час продувки. У дру­гому - вогнетривкі властивості знижуються в результаті контакту вставки із сталлю, шлаком, розкислювачами, легуючими і шлакоутворюю-чими добавками.

При зіставленні зносу вставок з неорієн-тованою і орієнтованою пористістю встановле­но (рис. 8.40), що в першому випадку вогне­трив має увігнуту поверхню (б), а в другому -опуклу (а). Це явище є додатковим свідченням більш високої стійкості кераміки з орієнтованою пористістю. Залежно від ряду чинників стійкість вставок може коливатися в широких межах: від однієї обробки до значень, відповідних стійкос­ті футеровки ковша.

При обробці сталі в ковші нейтральними газами дуже важливо знати мінімальну трива­лість продувки, що забезпечує хімічну однорід­ність розплаву.

Залежність хімічної однорідності вуглецевої сталі від тривалості аргонної продувки металу у 350-тонному ковші наведена в табл. 8.3.

Видно, що обробка сталі у 350-тонному ковші аргоном протягом 7 хв. дозволяє досяг­ти необхідного розподілу марганцю і кремнію в об'ємі металу. Ступінь неоднорідності, оці­нюваний по відношенню різниці між максимальним і мінімальним вмістом елемента в про­цесі розливання до середнього, не перевищував по марганцю 5%, по кремнію - 4%.

Можливість отримання після обробки металу в ковші нейтральними газами хімічно од­норідного металу сприяла істотному розширенню сортаменту сталей, що виплавляються в конвертерних цехах.

Разом з хімічною однорідністю, обробка металу в ковші нейтральними газами сприяє підвищенню однорідності і стабільності металу по температурі.

В процесі продувки металу в сталерозливному ковші нейтральним газом відбуваєть­ся одночасне усереднення і зниження температури металу в об'ємі ковша. На початку продувки процес усереднення превалює над процесом охолодження, швидкість охолод­ження металу, що визначається за зміною температури металу у верхніх горизонтах ков­ша, нерівномірна і значна - протягом перших 10 хв. продувки у 350-тонному ковші вона складає 2,0-2,5°С/хв. У подальшому процес охолодження превалює над процесом темпе-

ратурного усереднення, швидкість охолодження металу стабілізується і знижується до 0,5-1,0°С/хв.

При одній і тій же тривалості продувки швидкість зниження температури металу V, у верхніх шарах 350-тонного ковша може коливатися від 1,9 до 5,6°С/хв. на початку продув­ки, істотно знижуючись після 6-ї хвилини.

Практично у всіх дослідженнях відзначено істотне видалення (до 70%) неметалевих включень в результаті продувки, зменшення їх бала.

Технології обробки металу у ковші на основі продувки інертним газом

Поєднання продувки інертним газом з обробкою синтетичним шлаком дозволяє різко підвищити ефективність використання шлакових сумішей, оскільки енергійне перемішуван­ня при продувці збільшує і тривалість контакту металу зі шлаком, і величину поверхні кон­такту. Якщо при цьому ківш, в якому здійснюється така обробка, накривається кришкою, то наявність у просторі між кришкою і поверхнею шлаку атмосфери інертного газу захищає метал від окислення, а зниження величини тепловтрат дозволяє подовжити час контакту металу з рідким шлаком. На цьому принципі грунтується розроблена компанією NSC техно­логія CAB - закрита продувка аргоном (рис. 8.41)

Дана технологія передбачає наявність на поверхні металу в ковші синтетичного шла­ку необхідного складу.

В тих випадках, коли із плавильного агрегату у ківш потрапляє деяка кількість окислю­вального кінцевого шлаку (наприклад, при випуску плавки з конвертера), цією компанією використовується метод (рис. 8.42), названий SAB-процесом (Sealed Argon Bubbling - ізо­льована продувка аргоном).

За цим способом у ківш зверху вводиться вогнетривкий циліндр, закритий знизу мета­левим конусом, що розплавляється, таким чином, що всередині цього циліндра шлаку не­має. Зверху в циліндр вводять феросплави, знизу подають аргон для продувки.

При використанні циліндра пічний шлак виштовхується за межі заглибного циліндра (сноркеля), де під час процесу він залишається досить неактивним.

Видалення шлаку з поверхні сталі всередині заглибного циліндра і захист цієї поверхні атмосферою інертного газу дозволяє високоефективно і відтворююче використовувати ле­гуючі матеріали. Для більшості сплавів звичайно досягається вихід придатного у 95-100%. Крім того, добрий ефект досягається при введенні через заглибний циліндр елементів з високою спорідненістю до кисню і азоту, таких як титан і бор, що дозволяє відмовитись від застосування дорогого дроту з серцевиною. Легування фактично відбувається без контак­ту зі шлаком, завдяки чому дуже незначне повторне окислення сплавів оксидами, такими як FеО, МnО і Si02.

Заглибний циліндр створює штучний чистий простір, що дозволяє проводити інтенсивне перемішування навіть надто заповненого ковша. При цьому випліскування зводяться до мінімуму. Простір всередині заглибного циліндра заповнюється атмосферою інертного газу в результаті перемішування, що запобігає негативному впливу контакту рідкої сталі і кисню з високим парціальним тиском. В результаті зводиться до мінімуму попадання повітря і повторне окислення; значно знижується поглинання азоту.

Загальний вміст кисню у ванні швидко знижується до рівня <0,004%, тоді як при зви­чайному перемішуванні аргоном вміст кисню часто знаходиться в межах 0,005-0,010%.

Процес ІR - UT-обробка у ковші з регулюванням температури сталі

Це новий простий процес рафінування сталі, в якому рафінування і гомогенізацію ме­талу, а також регулювання його температури вдається здійснити на одній установці під назвою ІR - UT (рафінування сталі шляхом інжекції порошку і її нагрівання). Процес розроб­лений у Японії.

Процес ІR - UT застосовується для вирішення наступних завдань:

- доведення плавок, випущених з агрегату при низькій температурі або повернених від машини безперервного розливання;

• гомогенізація сталі і регулювання її хімічного складу;

• охолодження плавок, що мають високу температуру, шляхом введення в них брухту;

• рафінування розплавленої сталі;

- інжекція порошку СаSі або вапна для десульфурації і регулювання форми неметале­вих включень у надчистій сталі (наприклад, сталі, що йде на виробництво труб для магіст­ральних трубопроводів, застосовуваних для транспортування високосірчистого газу).

Схема розташування устаткування в процесіIR-UT наведена на рис. 8.43.

Розплавлену сталь перемішують у ковші за допомогою аргону або азоту, інжектованих через спеціальну верхню фурму, яку занурюють у сталь, причому кінець фурми близький до днища ковша. Основну кількість алюмінію і легуючих добавок вводять у сталь через заглиб­ний патрубок.

Якщо температура розплавленої сталі нижча, ніж необхідно, то сталь нагрівають за рахунок тепла, що виділяється при хімічній реакції окислення алюмінію або кремнію газопо­дібним киснем, який вдувається через спеціальну кисневу фурму. Якщо температура сталі вище, ніж необхідно, то сталь охолоджують шляхом введення в неї брухту.

Для отримання низькосірчистої і надчистої сталі інжектують вапно через фурму, по якій подають перемішуючий газ після того, як проведуть регулювання температури.

Ступінь десульфурації сталі до 60% може бути досягнутий протягом 10 хв. при оброб­ці розплаву шляхом інжекції порошку при наявності високоосновного шлаку на поверхні металу в ковші.

Коефіцієнт використання тепла в процесі хімічного нагрівання сталі досягає 92% для низьковуглецевої сталі, що розкислювалась Аl, а для середньовуглецевої сталі, розкисле­ної SiAl, цей коефіцієнт дорівнює 76%. При застосуванні алюмінію забезпечується швид-

кість нагрівання сталі 7 град/хв. при витраті кисню 11 м3/годт. При застосуванні кремнію швидкість нагрівання сталі знижується до 60% від швидкості нагрівання сталі при введенні алюмінію.