21.Дайте краткую характеристику глубинного (осаждающего) раскисления стали.

Осаждающее или глубинное раскисление стали

Осаждающее раскисление заключается в вводе в жидкий металл элементов, имеющих сродство к кислороду выше чем у железа и образующих прочные нерастворимые в металле оксиды.

Задачами осаждающего раскисления являются:

снижение растворимости кислорода присадками элементов - раскислителей, характеризующихся большим химическим сродством к кислороду, чем железо, до уровня, обеспечивающего получение плотного металла;

создание условий для возможно полного удаления образующихся продуктов раскисления из жидкой стали.

По увеличению раскислительной способности элементы можно расположить в следующей последовательности: Ni, Fе, Cr, V, Мп, C (при РСО=1 атм.), Si, Ti, Zr, Аl, РЗМ, Mg, Ca, Ba. В этом ряду каждый последующий элемент является раскислителем по отношению к предыдущему. Место углерода в ряду раскислителей определяется давлением Рсо. При низких значениях Рсо углерод может быть более сильным раскислителем, чем, например, алюминий.

Процесс осаждающего раскисления можно в первом приближении выразить следующей реакцией:

Константа равновесия реакции (9.3) записывается в виде

если принять в качестве общего условия то, что в процессе реакции раскисления (9.3) выделяется чистый оксид элемента – раскислителя, тогда выражение (9.4) примет следующий вид

Существуют различные способы оценки раскислительной способности элементов, которые выражают одну и ту же термодинамическую сущность – чем ниже остаточная концентрация элемента – раскислителя, при которой достигаются одинаковые концентрации кислорода в жидком металле, тем выше раскислительная способность элемента.

В общем случае следует учитывать сложность образующегося оксида типа MexOy*RmOn. Чем выше раскислительная способность, тем при меньших концентрациях элемента - раскислителя образуются сложные продукты раскисления типа MexOy*RmOn.

Соотношения между концентрацией растворенного в стали кислорода и остаточной концентрацией элемента – раскислителя приведена на рис. 9.2.

Рисунок 9.2 Раскислительная способность элементов в жидком железе при 1873 К

Требования к раскислителю:

быстрое растворение в металле;

высокая термодинамическая прочность оксидов, получаемых при раскислении металла;

большая скорость всплывания продуктов раскисления и хорошая их ассимиляция шлаком;

низкая стоимость.

22.Применение нейтральных газов для обработки жидкой стали в ковше

 Продувка стали инертным газом

Продувка стали инертным газом (рисунок 30) осуществляют в режиме образования пузырей инертного газа, перемешивающих жидкий металл в ковше.Инертный газ (чаще аргон) вводят различными способами в нижнюю часть ковша. Пузыри инертного газа перемешивают металл, выравнивают состав, если необходимо, то и снижают его температуру до заданного уровня.

Растворенные в металле водород и азот выделяются в газовые полости и удаляются. В результате содержание газов в стали снижается. Вследствие сильного перемешивания металла облегчается удаление в шлак неметаллических включений. Если требуется понизить содержание углерода в металле, то к инертному газу добавляют кислород.

Совмещение продувки инертным газом с выдержкой в условиях разрежения, а также применение синтетического шлака при продувке инертным газом способствуют более эффективному удалению из металла вредных примесей и неметаллических включений.

Продувка инертным газом - для повышения качества металлопродукции и металлопроката в металлургии получило промышленное распространение производство дешевого аргона в больших количествах (как сопутствующего продукта при производстве кислорода, как известно, в воздухе ~ 1 % Ar). На кислородных станциях аргон выделяют при ректификации жидкого воздуха. Если металлургический завод имеет мощную кислородную станцию, то объем попутно получающегося аргона достаточен для того, чтобы обработать всю производимую сталь и тем самым повысить качество всего сортамента металлопродукции. В тех странах, где имеются запасы гелия, сталь продувают гелием. Рисунок 1. Фурма в виде "ложного стопора" для вдувания порошкообразных реагентов в сталь Сталь не содержащая нитридообразующих элементов (хрома, титана, ванадия и т.п.), часто продувается азотом, т.к. при 1550—1600 °С процесс растворения азота в жидком железе не получает заметного развития. Расход инертного газа составляет обычно 0,1—3,0 м3/т стали. В зависимости от массы жидкого сплава в ковше снижение температуры стали при таком расходе аргона составляет 2,5-4,5 °С/мин (без продувки сталь в ковше охлаждается со скоростью 0,5-1,0 °С/мин). Тепло при продувке дополнительно затрачивается на нагрев инертного газа и излучение активно перемешиваемыми поверхностями сплава и шлака. Большая часть тепловых потерь связана с увеличением теплового излучения, поэтому такой прием, как накрывание ковша крышкой при продувке инертными газами позволяет заметно уменьшить потери тепла; при этом обнажающаяся при продувке сталь, имеет меньшую степень окисления. Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого ложного стопора (рис. 1). Продувочные устройства типа ложного стопора безопасны в эксплуатации, так как в схему футеровки ковша не нужно вносить никаких изменений, но они обладают малой стойкостью. В результате интенсивного движения металлогазовой взвеси вдоль стопора составляющие его огнеупоры быстро размываются. Рисунок 2. Конструкция пористой пробки (вставки) для продувки стали аргоном: 1 — вставка с каналами для прохода газов; 2 — огнеупорный корпус; 3 — гнездовой кирпич Большое распространение получил способ продувки стали инертными газами через устанавливаемые в днище ковша пористые огнеупорные вставки или пробки (рис. 2); в тех случаях, когда продувку инертными газами проводят одновременно через несколько пробок (вставок), эффективность воздействия инертного газа на сталь существенно увеличивается. Продувка с расходом газа до 0,5 м3/т стали достаточна для усреднения химического состава и температуры металла; сталь продутая с интенсивностью до 1,0 м3/т имеет пониженное содержание неметаллических включений, для эффективной дегазации необходим расход инертного газа 2^3 м3/т металла. Рисунок 3. Схема САВ-процесса: 1 — ковш с металлом; 2 — крышка ковша; 3 — устройство для загрузки ферросплавов; 4 — отверстие для отбора проб; 5 — синтетический шлак; 6 — шиберный затвор; 7 — пористая пробка для введения в сталь аргона Во многих случаях продувку инертным газом проводят одновременно с обработкой металла вакуумом. В этом случае расход инертного газа может быть существенно уменьшен. Совмещение продувки инертным газом обработкой шлаком способствует повышению эффективности использования шлаковых смесей, так как интенсивное перемешивание при продувке увеличивает продолжительность и поверхность контакта сталь-шлак. Если при этом ковш, в котором осуществляется такая обработка, накрыт крышкой, то наличие в пространстве между крышкой и поверхностью шлака атмосферы инертного газа предохраняет сталь от окисления, а снижение потерь тепла позволяет увеличить продолжительность контакта металла с жидким шлаком. На этом принципе основана разработанная на одном из металлургических заводов Японии технология так называемого САВ-процесса (от слов Capped—Argon—Bubb-ling) (рис. 3 слева); данная технология предусматривает наличие на поверхности сплава в ковше синтетического шлака заданного состава. В тех случаях, когда из плавильного агрегата в ковш попадает в месте со сталью какое-то количество конечного окисленного шлака (например, при выпуске плавки из конвертера), используют метод, названный металлургами Японии SAB-процессом (рис. 3 справа). Введение в сталь добавок в нейтральной атмосфере и хорошее их усвоение при перемешивании металла инертным газом обеспечивается в несколько усложненном способе защиты зоны продувки, названном CAS-процессом. По этому способу в ковш сверху вводят огнеупорный колпак, закрытый снизу расплавляющимся металлическим конусом, таким образом, чтобы внутрь этого колпака не попал шлак; затем снизу под колпак подают аргон. В результате продувки интертными газами сталь получается более высококачественной, из которой можно изготавливать металлоконструкции ответственного назначения: высококачественные профильные трубы, швелера, уголки стальные, балки двутавровые, лист стальной, арматурный прокат (т.е. арматура), профнастил и другой металлопрокат.

23.Какие процессы оказывают влияние на скорость всплывания неметаллических включений и их переход в шлак?

Неметаллические включения в стали разделяют на три группы:

1) эндо­генные - внутреннего происхождения, образующиеся в результате протекания различных физико-химических процессов в самом металле во время его раскис­ления, кристаллизации и охлаждения;

2) экзогенные - внешнего происхождения. состоящие из огнеупорных материалов и шлака, механически увлекаемых пото­ком жидкого металла во время выпуска из печи разливки и фиксируемые в за­твердевшей стали. Наиболее опасными являются мелкие частицы огнеупоров, увлекаемых потоком жидкого металла, так как крупные частицы легко всплыва­ют;

3) экзоэндогенные - включения выделяются на экзогенных. Это убедительно доказано результатами исследований с использованием различных изотопов ("меченых атомов"). Массовая доля всех включений обычно составляет 0,01 -0,02%.

Неметаллические включения, имея меньшую плотность, всплывают. Од­нако на практике при небольших размерах включений большее значение имеют силы адгезии. Чем меньше степень смачиваемости (больше межфазная энергия: металл - включение), тем меньше силы, удерживающие включение в соприкос­новении с металлом, и тем легче оно отделяется от металла и всплывает. В каче­стве примера включений, плохо смачиваемых жидким железом, можно привести включения глинозема (σ(Ме-Al2O3) -1Дж/м2); в качестве примера включений, хорошо смачиваемых жидким железом (и поэтому плохо отделяемых от него), можно привести включения силикатов железа (σ(Ме-ВКЛ.) 0.4 Дж/м2). Включения размером 1-2 мкм поднимаются медленно, могут длительное время перемешиваться в объеме жидкого металла конвективными потоками и в конечном итоге оставать­ся в металле. Газовые пузырьки, проходящие через ванну (кипении металла, при продувке ванны инертным газом и т.п ). имеют межфазную энергию с включе­ниями меньше, чем межфазная энергия между включением и металлом, поэтому  включения "прилипают" к пузырьку газа и уносятся с ним в шлак

На скорость удаления включения из металла влияют:

1) размеры включе­ний, их состав (температура плавления) и плотность:

2) способность включений к укрупнению:

3) межфазная энергия на границе металл - включение и шлак -включение:

4) интенсивность перемешивания ванны:

5)физическая характери­стика металла.

Влияние футеровки выпускных желобов. Футеровка сталевыпускных же­лобов изнашивается значительно: 2 - 6 кг на 1 т стали. Выпуск плавки длится от 10 до 20 мин. За это время частички смытого огнеупора благодаря небольшой толщине слоя металла всплывают, так что загрязнение стали огнеупорами из футеровки желоба маловероятно.

Влияние футеровки сталеразливочных ковшей. После окончания выпуска сталь выдерживают в ковше перед разливкой. Продолжительность выдержки качественной стали составляет обычно 10—15 мин. выдержка рядовых сталей оп­ределяется временем транспортировки ковша до разливочной площадки или МНЛЗ. Выдержка стали в ковше перед разливкой и в течение разливки способ­ствует всплыванию шлаковых частиц, огнеупорных включений и продуктов раскисления, равномерному  распределению элементов раскислителей. присаженных в ковш, выравниванию температуры, выделению растворенных в стали газов.

 

Неметаллические включения всплывают вследствие разницы в плотностях включения и жидкой стали. Скорость всплывания определяется главным обра­зом размером частицы. Однако при выпуске стали и выдержке в ковше металл энергично перемешивается, в результате чего скорость перемещения частиц оп­ределяется этими потоками. Так  например, расчетная скорость всплывания частицы – SiO2 диаметром 50 мкм равна 0,125 см/с. что ниже возможной скорости потоков в ковше во время выпуска и выдержки стали в 10—100 раз. Определяющая роль перемешивания подтверждается тем, что количество включений на различных горизонтах ковша практически одинаково. Перемешивание стали способствует укрупнению включений за счет слияния жидких и поглощения твердых жидкими, процесс термодинамически вероятен, так как он сопровожда­ется уменьшением поверхности, а  следовательно, и общей поверхностной энер­гии в системе: 

 

σ1S1 + σ2S2 > σ3S3

где   

σ — межфазная энергия:

S— поверхность раздела на границе металл—включение: индексы 1 и 2 относятся к исходным: а индекс 3 — к укрупненному включению.

В удалении включений большую роль играет ассимиляция их шлаком или размягченной футеровкой. Этот процесс идет тем активнее, чем выше смачиваемость включения шлаком и чем ниже она на границе металл—включение. Бесспорным доказательством роли шлака в удалении включений являются ре­зультаты обработки стали в ковше синтетическими известково-глиноземистыми шлаками.

В процессе выпуска стали в зависимости от емкости сталеплавильного агрегата металл остывает на 20—50 °С, а во время выдержки в ковше он остыва­ет на 0.3—1.5°С 7мин в зависимости от объема ковша. Внутренняя поверхность кирпича нагревается до температуры жидкой стали, при которой шамот начинает размягчаться. Тонкий размягченный слой футеровки активно взаимодействует с печным шлаком, находящимся в ковше. Наиболее активно шамотная футеровка разъедается основными железистыми шлаками. При этом шлак обогащается кремнеземом и глиноземом, что снижает его основность и вязкость. Частично изменение состава шлака происходит также за счет всплывания в шлак продук­тов раскисления и частиц футеровки желоба.

Снижение основности шлака и наличие сильных раскислителей создает условие для перехода части фосфора из шлака в металл. В результате к концу разливки его содержание в металле может возрастать. Концентрация марганца в кипящей стали обычно уменьшается, что связано с его окислением при сниже­нии температуры. В процессе разливки окисляется также до 0.02—0.03 % угле­рода. В спокойной стали частично окисляется кремний и практически полностью выгорает алюминий.

В отдельных случаях вследствие развития реакций в ковше часть металла

может оказаться бракованной из-за недопустимого изменения его химического состава. Для предупреждения развития реакций в ковше раскислители добавля­ют равномерно по мере наполнения ковша до появления шлака, а также ограни­чивают количество шлака, поступающего в ковш. Реакционные свойства шлака снижают присадкой доломита или извести во время выпуска плавки.

Расход ковшевых огнеупоров, как уже отмечалось, может быть значи­тельным так же как и длина траектории для всплывания включений. Кроме того, в ковше возникают вихревые токи, круговое движение стали. Сталь в перифе­рийной части, охлаждаясь, движется вниз, а в центральной части - вверх.