книги из ГПНТБ / Квитко, М. П. Кислородно-конвертерный процесс

содержанием хрома, и силикотермический — для выплавки стали, содержащей 7—10% Сг.

Выплавка нержавеющей стали с использованием в качестве сырья хромистого чугуна характерна для США и ФРГ. Поскольку важным преимуществом кислородно-конвертерного процесса при организации выплавки нержавеющей стали является возможность использования наиболее дешевых источников хрома — скрапа хромистых сталей, хромистой руды и высокоуглеродистого ферро­ хрома, немецкие металлурги практически для каждой марки стали изготавливают в вагранках горячего дутья специальные чугуны с дальнейшей продувкой их в 30-т конвертерах (завод в Виттене). Вагранки горячего дутья имеют диаметр 4 м и высоту 12 м и характеризуются производительностью 2 2 т/ч; отходящие вагра­ ночные газы пропускают через рекуператоры для нагрева дутья до 600° С. В зависимости от типа выплавляемой в конвертерах стали шихта вагранок состоит из следующих составляющих:

1 ) углеродистого лома; в этом случае получают чугун, кото­ рый используют для выплавки углеродистой стали или низко­ легированной стали с легированием в конвертере или ковше; 2 ) углеродистого лома и хромистой руды с получением хро­ мистого чугуна; содержание легирующих в конечном металле после продувки в конвертере корректируют присадками легиру­

ющих в ковш или конвертер; 3) легированного лома, по составу соответствующего данной

марке стали или группе марок стали с получением легирован­ ного чугуна; состав металла после продувки корректируют, как и в двух предыдущих случаях.

Остальными составляющими шихты вагранок являются кокс, известь и плавиковый шпат. Температура чугуна составляет около 1400° С; чугун накапливается в двух 70-т миксерах и транспорти­ руется к конвертерам чугуновозными ковшами.

Для выплавки нержавеющей хромоникелевой стали состав чугуна из вагранок следующий: 5,5% С; 0,70% Si; 0,40% Мп; 0,025% Р; 0,025% S; 19% Сг; 10,0% Ni; 0,05% Мо. Шихту вагранки можно компоновать из 1 0 0 % лома и стружки, соответствующей стали данной марки. •

282

При использовании углеродистого лома высокоуглеродистый феррохром и никель при выплавке нержавеющей стали присажи­ вают в конвертер по ходу продувки. Однако предпочитают гото­ вить специальный чугун с использованием легированного лома и дешевых легирующих. Технология конвертерной плавки сле­ дующая.

После заливки чугуна и присадок извести и плавикового шпата продувку ведут с таким расчетом, чтобы получить шлак очень высокой окисленности (при большом расстоянии от сопел фурмы до металла). В первом периоде кислород подают в течение 10 мин, после чего скачивают шлак. Поскольку плавки ведут при очень высокой температуре (на 100—150° С выше обычной температуры), при выплавке углеродистого металла окисления хрома практи­ чески не происходит.

Второй период продувки после добавок извести и плавикового шпата ведут до заданного содержания углерода, стараясь поддер­ живать минимальную окисленность шлака, уменьшая до минималь­ ного расстояние от сопел фурмы до металла. Длительность второго периода продувки составляет 20 мин. После окончания продувки скачивают вторичный шлак и на оставшийся в конвертере шлак присаживают силикокальций и карбид кремния. Металл раскис­ ляют погружением алюминия в металл под раскисленный шлак. Если технологией не предусматривается раскисление стали алю­ минием, то раскисление ведут кремнием. Раскисление шлака и

операций (включая и корректирующее легирование) и способ­ ствует быстрому удалению неметаллических включений. Темпе­ ратура металла на выпуске составляет около 1600° С.

Если чистота стали по микровключениям не является критерием ее качества, то продолжительность плавки уменьшают до 50 мин, исключая периоды раскисления и легирования. Обе эти операции выполняют в сталеразливочном ковше. Содержание азота в конце продувки при выплавке средне- и низколегированных сталей составляет около 0,004%, при выплавке высоколегированных 0,006%, что ниже соответствующих величин для электропечей.

Поскольку для выплавления большинства марок стали необ­ ходимо глубокое раскисление, которое не обеспечивается при­ садками кремния, а раскисление алюминием пригодно не для всех марок стали, в цехе установлена вакуум-камера, разрежение в которой создается пароэжекторным насосом с минимальной величиной разрежения 0,5 мм рт. ст. Так как разрежение падает с глубиной ванны и на расстоянии около 1,4 м полностью прекра­ щается эффект вакуума, ванну ковша перемешивают аргоном, пропускаемым через пористые пробки, запрессованные в днище ковша. Перед началом вакуумирования на поверхность металла

.в конвертер присаживают раскислители. Раскисление в сочетании

.с вакуумированием позволяет достигнуть очень низкой концен_

.283

трацнн кислорода в металле. Так, при содержании углерода 0,1% содержание кислорода в металле составляет около 0,005%, при

0,5 и 0,95% С соответственно 0,003 и 0,002%.

По описанной выше технологии выплавляют практически все нержавеющие и другие легированные стали. Сравнение качества металла, получаемого таким способом, с качеством электропечного показывает, что свойства конвертерной стали не только не уступают, но в некоторых случаях и превосходят свойства элек­ тростали вследствие уменьшения содержания азота. Отмечается также, что для'конвертерной стали значительно легче достигнуть необходимого соотношения азота и алюминия, чем для электро­ стали.

Оценивая описанный выше метод выплавки легированных ста­ лей, необходимо отметить его универсальность. Между тем такой метод применим при сравнительно малом объеме производства и требует обязательного использования вагранок горячего дутья. Раскисление и легирование с последующим вакуумированием существенно усложняют процесс. По-видимому, такой метод может быть экономически эффективным для районов со значительным количеством отходов легированного металла и при сравнительно малых объемах производства.

Выплавка нержавеющей стали в США также предусматривает использование хромсодержащего чугуна. Фирмой «Джонс энд Лафлин» разработан процесс получения нержавеющей стали из высокохромистого чугуна, выплавляемого в доменной печи, в ва­ гранке горячего дутья или в электропечи. Шихтой служит хро­ мистая руда, лом нержавеющей стали, дешевый феррохром и обычный передельный чугун. От описанного выше способа произ­ водства в Виттене метод фирмы «Доне энд Лафлин» (ЛАМ-процесс) отличается тем, что во время продувки после окисления кремния

вконвертер подсаживают хромитовую руду и известь, и тем, что

вконце продувки раскисленный в конвертере кремнием металл

ишлак сливают вместе в сталеразливочный ковш, а затем воз­ вращают обратно в конвертер для усреднения и лучшего раскисле­ ния металла. После слива металла и шлака из ковша в конвертер дают выдержку в течение 1 — 2 мин, затем скачивают шлак и осу­ ществляют корректирующее легирование присадками лома нержа­ веющей стали. В табл. 79 приводятся основные показатели ЛАМпроцесса по пяти опытным плавкам в 4,5-т конвертере.

Точность попадания в заданные пределы по хрому довольно высока: около ±0,5% .

Из изложенного выше следует, что в результате исследований как в СССР, так и за рубежом, доказана возможность выплавки нержавеющей стали в конвертерах. Однако промышленное при­ менение разработанных методов требует прежде всего проектиро­ вания и строительства специальных цехов, предусматривающих организацию дополнительной обработки стали вне конвертеров, специфику получения шихты, хода технологического процесса

284

нержавеющей стали может встретить серьезные трудности органи­ зационного и технологического порядка в связи со спецификой производства высоколегированных сталей.

Кроме того, следует отметить, что всеми указанными методами сравнительно просто можно получать сталь с содержанием угле­ рода более 0,06%. Используя ЛАМ-процесс, можно достигнуть и более низкого содержания углерода, но, во-первых, это требует увеличения расхода раскислителей, а во-вторых, связано с увели­ чением угара хрома. Поскольку в последние годы резко возрос спрос на низкоуглеродистые нержавеющие стали (0,02—'0,03% С), необходимо изыскивать методы получения в конвертерах такого металла с высокими показателями процесса.

фирмой «Юнион карбайд метлз» предложен метод, заключа­ ющийся в продувке аргоном в смеси с кислородом металла, полу­ ченного расплавлением стального лома и легирующих в электро­ печи. Продувку ведут в конвертере с донным дутьем. Понижение парциального давления кислорода при введении в дутье аргона позволяет достигнуть более низкой концентрации углерода. При. этом продувку ведут в два этапа: в первом периоде коли­ чество кислорода примерно вдвое превышает расход аргона, во втором периоде расход аргона вдвое превышает расход кислорода. Содержание углерода после продувки и выдержки в конвертере, во время которой подают только аргон, составляет менее 0,03%. Однако этот метод еще не вышел из стадии опытных работ.

285

Г л а в а VIII

Содержание газов в кислородно-конвертерной стали

Содержание газов в стали существенно влияет на ее качество, так как характер и форма неметаллических включений зависят от содержания кислорода в металле после продувки и метода раскисления. Азот и водород увеличивают хрупкость и снижают пластичность металла.

При высоком содержании азота увеличивается склонность стали к старению и ухудшается ее электросвариваемость. Повышенное содержание водорода делает сталь флокеночувствйтельной.

других материалах; 2 ) условиями равновесия в объеме всего конвертера между

газообразной металлической и шлаковой фазами; 3) разностью скоростей перехода азота и водорода из газооб­

разной фазы в металл и выделения их в газообразную фазу в основ­ ном в периферийных областях конвертера вместе с пузырьками окиси углерода.

Содержание газов в металле, полученном различными мето­

286

Содержание азота в конвертерной стали

Равновесная с газовой фазой концентрация азота в металле определяется законом Сивертса

[N%] = /CNV p ^ .

Константа пропорциональности является функцией состава металлической ванны и температуры. При увеличении температуры значения Кц увеличиваются, что приводит к увеличению раство­ римости азота в металле при росте температуры выпуска.

Это объясняется, с одной стороны, меньшей вязкостью металла, что обусловливает большее раздробление металла на капли, уве­ личением поверхности контакта металл—кислород и соответ­ ствующим увеличением количества азота, поглощаемого металлом в единицу времени, с другой стороны тем, что с увеличением тем­ пературы получаются более тонкие окисные пленки на каплях металла, так как быстрее растворяется закись железа в металле, что определяет большую скорость перехода азота в металлические

капли.

Для кислородно-конвертерного процесса парциальное давление азота в дутье приобретает особое значение. Это связано с тем, что температура реакционной зоны в месте встречи кислородной струи с металлической ванной может достигать примерно 2300—2500° С.

Поскольку металл в реакционной зоне, во всяком случае в пленке, контактирует с кислородной струей и практически не содержит углерода, растворимость азота в металле будет соответ­ ствовать растворимости азота в чистом железе при данных темпе­ ратурах. Расчетами В. И. Явойского показано, что максимальная растворимость азота при чистоте кислорода 97% (pN2 = 0,18 ат изб.

и Т = 2200° С) равна 0,0256%.

Металл, насыщенный азотом в реакционной зоне, переносится затем в объем, удаленный от реакционной зоны. Естественно, что концентрация азота во всем объеме ванны будет во много раз меньше не только вследствие более высокого содержания приме­ сей ванны и меньшей температуры металла, но и вследствие рез­ кого снижения парциального давления азота при относительно высокой скорости окисления углерода и большой концентрации углеродсодержащих газов в отходящих газах.

В зависимости от состава применяемого дутья парциальное давление азота над металлической ванной изменяется (рис. 115).- Штриховой линией на рис. 115 показано окончание периода обез­ углероживания (ФРГ). Для снижения парциального давления азота, а следовательно, и его содержания в стали чугун продувают технически чистым кислородом.

При исследовании кислородно-конвертерного процесса жидкий чугун, содержащий 0,0075% N и около 4% С, продували кислоро­ дом различной чистоты [105]. В начале продувки содержание азота в ванне резко падало, при снижении содержания углерода

287

примерно до 3% устанавливалось равновесие на уровне, завися­ щем от чистоты кислорода:

Эти величины очень мало изменяются до тех пор, пока содержа­

увеличиваться, а при чистоте выше 98,5% уменьшается. При содержании углерода примерно 0,04% в стали содержится сле­

До тех пор пока происходит бурное выделение окиси углерода, содержание азота, в ванне пропорционально содержанию азота

вкислороде. Когда кипение прекращается и кислород поглощается окисляющимся железом, единственным газом, находящимся в кон­ такте с металлом, является азот, который поглощается. Исключе­ ние составляют плавки, продуваемые кислородом высокой чи­ стоты (99,5—99,8%). В последнем случае содержание'азота в тех­ ническом кислороде все еще ниже равновесного с азотом в металле, поэтому происходит небольшое уменьшение количества азота

вванне (см. рис. 116).

288

Содержание азота быстро падает в период энергичного окисле­ ния углерода. При низком содержании углерода в металле коли­ чество выделяющихся из конвертера газов начинает уменьшаться, что облегчает инжекцию атмосферного воздуха кислородной струей в полость конвертера. С уменьшением содержания углерода ниже определенного предела (менее 0,1%) создаются все более благо­ приятные условия для поглощения азота из полости конвертера и уменьшается его десорбция из пузырьков выделяющейся окиси углерода.

В определенный момент времени скорость первого процесса начинает превалировать и содержание азота в металле возрастает.

Содержание азота в металле к концу продувки при концентрации углерода в нем ниже 0,05% повышается. Увеличение средней скорости обезуглероживания облегчает задачу получения' мало­ азотистой стали. Почти линейная зависимость между скоростью окисления углерода и конечным содержанием азота в малоугле­ родистой стали установлена на заводе «Мидзуэ» в Японии

(рис. 117):

С уменьшением содержания азота в дутье до минимального можно ожидать и заметного уменьшения концентрации азота в металле перед раскислением при столь большом увеличении скорости выгорания углерода. Большое влияние на интенсивность кипения металла оказывает руда. При больших добавках руды содержание азота в металле уменьшается.

При присадке извести, и известняка в конвертерную ванну может заноситься азот воздуха, содержащегося .в порах этих ком­ понентов. По данным ДонНИИчермета, с увеличением суммарного расхода сыпучих содержание азота в металле незначительно уве­ личивается (рис. 118). Поэтому известняк и известь нужно при­ саживать в те моменты, когда еще велик «вымывающий эффект».

Таким образом, наибольшее влияние на содержание азота в конвертерной стали оказывает количество азота в дутье. Получе­ ние стали с низким содержанием азота возможно при чистоте ки­ слорода не менее 99,5%.

Содержание водорода в кислородно-конвертерной стали

Водород приводит к ухудшению пластических свойств металла.

пластичность и сопротивление металла разрушению пропорцио­ нально снижаются. При 5—-10 см3/100 г пластичность металла ми­ нимальна и не изменяется с дальнейшим-повышением содержания водорода.

Водород поступает в металл по ходу плавки с шихтовыми ма териалами и различными добавками (рис. 119).

Водород и азот в молекулярном состоянии (Н2, N2) в металле не растворяются. Поэтому до растворения молекулы должны диссоциировать на атомы. Процесс растворения водорода в стали можно выразить следующим равенством:

[Н] = KHV~Piu-

Отсюда вытекает, что содержание водорода в стали тем выше, чем выше парциальное давление их в конвертерных газах.

Переход водорода в сталь из водяных паров описывается урав­ нением

|Н 20}газ = 2[Н] + [0].

Константа равновесия этой реакции

уMHO]

Рн2о

Содержание водорода в стали увеличивается с ростом парциаль­ ного давления паров воды в конвертерных газах, что обусловли­ вается в основном влажностью дутья, и уменьшается с увеличением окисленности стали. Кислород сильно понижает растворимость водорода в стали. Значительное количество водорода вносится

вконвертеры ржавчиной стального лома и' стружки.

Вжидком чугуне, поступающем в конвертерные цехи, содержа­ ние водорода зависит от парциального давления водорода в горне доменной печи, которое определяется влажностью дутья и коли­ чеством подаваемого в печь мазута или природного газа. Если ма­ зут или природный газ не подается и печь работает на дутье по­ стоянной влажности (10—30 г/м3) при общем давлении в горне 2,25 ат, то парциальное давление водорода изменяется от 0,010

до 0,030 ат.