книги из ГПНТБ / Электрометаллургия стали и ферросплавов учебное пособие

пературы и скачкообразно изменяется при аллотропических прев­ ращениях и плавлении.

Результаты исследований, приведенные в виде изобары на рис. 94, показывают, что растворимость азота резко уменьшается при кристаллизации и во время превращения у-железа в а-железо.

Другие элементы влияют на растворимость азота в жидком же­ лезе. Это влияние характеризуется параметрами взаимодействия, приведенными в табл. 5. Их знак и величина показывают, что в по­ рядке усиления влияния растворимость азота увеличивают Mo, S, Мп, А1, Сг, V, Ti. Понижают растворимость азота Ni, Р, С.

Уменьшение растворимости азота в железе при кристаллизации и во время превращения у-железа в a -железо является основной причиной влияния азота на свойства стали.

При отсутствии в стали элементов (Ti, Al, Zr, V), образующих нитриды при высокой температуре, после образования а-железа начинается выделение азота из раствора в виде включений нитридов железа (Fe2N, Fe.tN, Fe8N). Это выделение может продолжаться длительное время после охлаждения и, так как оно происходит в ос­ новном при низкой температуре, выделившиеся включения очень дисперсны. Порядок их размера 10"3 мкм.

Дисперсные включения нитридов железа располагаются по кри­ сталлографическим плоскостям и, препятствуя перемещению дисло­ каций, вызывают охрупчивание металла. В результате этого падает ударная вязкость и уменьшаются относительные сужение и удли­ нение при одновременном повышении твердости и прочностных свойств.

Как и выделение нитридов железа, падение ударной вязкости увеличивается с течением времени хранения или эксплуатации сталь­ ных изделий, достигая минимума через 20—40 суток. Поэтому опи­ сываемое явление получило название старения.

Старение может быть ускорено искусственно, если закаленное железо или сталь подвергнуть холодной пластической деформации, увеличивающей скорость распада твердого раствора и выделения нитридов железа.

В результате старения ударная вязкость может уменьшиться в 4—6 раз. Поэтому склонность к старению является существенным пс-роком стали. Она характерна для малоуглеродистой стали, не раскисленной алюминием или ванадием.

Присадка в сталь элементов, связывающих азот в нитриды при высоких температурах, устраняет склонность стали к старению.

Кчислу таких элементов относятся: алюминий, образующий нитриды

восновном во время затвердевания и в твердом металле до темпера­ туры превращения у-железа в a -железо; ванадий и цирконий, обра­ зующие нитриды во время кристаллизации; титан, образующий ни­ триды в жидкой стали и во время кристаллизации.

Наибольшее применение получил алюминий, широко исполь­ зуемый и в качестве раскислителя. При обычных концентрациях азота и алюминия в стали он образует нитриды в твердом металле. Но размеры включений этих нитридов, выделяющихся при более

высокой температуре, на 2—3 порядка больше размеров включении нитридов железа. Поэтому они не оказывают такого влияния на дви­ жение дислокаций и не вызывают старение.

Следовательно, спокойная сталь, раскисленная алюминием, не склонна к старению. Однако и в стали, раскисленной алюминием, может наблюдаться понижение ударной вязкости. Это проявляется при высоком содержании азота и алюминия (например, 0,01% N и 0,2% А1), когда в металле образуется межзеренный излом, про­ ходящий по границам зерен первичного аустенита. Образование такого излома вызвано ослаблением связи между зернами вслед­

вильную ванну азот поступает с шихтовыми материалами. Метал­ лический лом, скрап и чугун содержат обычно 0,002—0,008% N. Дополнительно азот переходит в металл из печной атмосферы во время плавления. Этому способствуют восстановительная атмосфера в области дуг и в общем незначительное окисление металла, а также диссоциация азота в дугах.

После образования окислительного шлака, растворяющего очень мало азота (0,002—0,008%), поступление азота в металл из печной атмосферы практически прекращается. Поэтому раннее шлакообра­ зование позволяет получить меньшее содержание азота в металле к началу окислительного периода.

Во время окислительного периода происходит удаление части азота из металла вследствие экстрагирования его пузырьками окиси углерода. Количество удаленного азота увеличивается с увеличе­ нием количества окисленного углерода.

В работах ряда исследователей было установлено существование прямолинейной зависимости между изменением содержания азота в стали Д [N, %] и количеством окисленного углерода, т. е. раз­ ностью между содержанием углерода в металле в начале окисли­

вокислительный период, достигает 30—50% его исходного содер­ жания. К концу окислительного периода содержание азота в стали, как и при мартеновском процессе, составляет обычно 0,004—0,008%.

Удовлетворительное удаление азота из металла достигается при достаточно большом количестве окисленного углерода. Исследования

ипрактика электросталеплавильного производства показывают, что для деазотации стали в условиях окислительного периода электро­ плавки в основных дуговых печах целесообразно окислять

0,3—0,5% С.

Ввосстановительный период содержание азота в стали возрастает

врезультате прекращения окисления углерода и, следовательно, удаления азота при увеличении интенсивности поступления его из шлака в металл, что является следствием значительного увеличения

212

растворимости азота в шлаке при его раскислении. В белых шлаках ои, согласно исследованиям Н. М. Чуйко, составляет 0,03—0,06%, а в карбидных шлаках достигает 0,2%.

Действенным способом уменьшения количества азота, поступив­ шего в сталь в восстановительный период, служит уменьшение про­ должительности восстановительного периода и отказ от работы под карбидным шлаком.

В среднелегированных сталях, выплавленных в дуговой электро­ печи, обычно содержится 0,006—0,012% азота (по сравнению с 0,004— 0,008% в мартеновской и 0,002—0,005% в кислородно-конвертерной стали).

В высоколегированной стали содержание азота выше и может достигать 0,02% вследствие увеличения растворимости азота в ме­ талле и внесения его ферросплавами.

Р а з д е л III

ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВКИ СТАЛИ В ОТКРЫТЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

Глава 14

ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ СТАЛИ В ОСНОВНЫХ ДУГОВЫХ ПЕЧАХ

МЕТОДЫ ПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВЫХ ПЕЧАХ

Технология плавки стали в дуговых печах определяется составом выплавляемой стали и предъявляемыми к ней требованиями, а также качеством шихты. В зависимости от этих факторов технология плавки даже в одной печи может быть существенно различной.

Имеются две основные разновидности технологии плавки легиро­ ванной стали: плавка на углеродистой («свежей») шихте и плавка переплавом легированных отходов.

Углеродистая шихта характеризуется повышенным содержанием углерода, фосфора, серы и отсутствием или незначительным коли­ чеством легирующих элементов: Для передела такой шихты в ка­ чественную сталь требуется проведение специального окислитель­ ного периода, в течение которого окисляются углерод, фосфор и не­ которые сопутствующие элементы: кремний, хром, марганец, вана­ дий и др.

Наличие окислительного периода является характерной особен­ ностью технологии плавки на свежей шихте, поэтому ее называют еще плавкой с полным окислением.

Плавка высококачественной стали на свежей шихте включает следующие этапы: 1) подготовку шихтовых материалов, 2) подго,-

21 3

товку печи к плавке, 3) загрузку шихты, 4) период плавления,

5)окислительный период, 6) восстановительный период. Выплавка рядовой стали проводится по упрощенной технологии

под одним шлаком с интенсивным использованием кислорода и харак­ теризуется отсутствием восстановительного периода.

Проведение всех периодов плавки позволяет глубоко очистить металл от вредных примесей — фосфора и серы. Окисление угле­ рода в окислительный период вызывает кипение ванны и способ­ ствует дегазации металла — удалению растворенных в нем водорода и азота. Поэтому плавка с полным окислением позволяет получать из рядовой шихты высококачественную сталь. Недостаток этого

продолжительности плавки.

При плавке методом переплава окислительный период исключают из суммарного процесса плавки, в результате чего некоторые из содержащихся в шихте легирующих элементов не окисляются и остаются в стали. Это позволяет полнее использовать легирующие элементы, содержащиеся в отходах, и уменьшить расход ферро­ сплавов.

Продолжительность плавки методом переплава меньше, чем на свежей шихте, соответственно выше производительность агрегата, меньше расход электрической энергии. Себестоимость стали, вы­ плавленной методом переплава, меньше себестоимости той же стали, выплавленной на свежей шихте.

Однако отсутствие окислительного периода делает невозможным удаление фосфора, поэтому для плавки методом переплава требуется чистая по фосфору шихта. Кроме того, отсутствие кипения ванны не позволяет удалять в течение плавки растворенные газы, что тре­ бует принятия дополнительных мер для их удаления.

На плавках методом переплава для ускорения нагрева металла, понижения в нем содержания углерода и растворенных газов ванну часто продувают газообразным кислородом. В результате экзотер­ мических реакций кислорода с железом, кремнием и углеродом тем­ пература ванны быстро повышается, хром и другие легирующие элементы при этом окисляются незначительно, а выделяющаяся окись углерода оказывает дегазирующее действие. Такую разно­ видность технологии переплава называют плавкой с частичным окис­ лением.

ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Для получения стали в электропечах необходимы следующие шихтовые материалы: металлическая часть, шлакообразующие, окис­ лители, добавочные материалы (раскислители и легирующие) и науглероживатели.

М е т а л л и ч е с к а я ч а с т ь . Основу шихты для электро­ печей составляет металлический лом: на одну тонну выплавляемой в электропечах стали в среднем расходуется около 950 кг лома.

214

Примерно треть этого количества составляют брак, литейные от­ ходы, обрезь слитков, отходы при прокатке и ковке, а также стружка от обдирки слитков, т. е. собственные отходы металлургических за­ водов. Остальная часть складывается из отходов, возвращаемых заводами-потребителями, направляемого в переплав изношенного и устаревшего оборудования и инструмента и лома, собранного от­ делениями Вторчермета. Кроме того, в ограниченных количествах используется специально выплавляемая шихтовая заготовка — мяг­ кое железо, а также передельный чугун и металлизованные ока­ тыши.

Металлический лом делится на две категории: группа нелегиро­ ванных (А) и легированных (Б) отходов.

Нелегнрованный (углеродистый) лом не должен быть загрязнен цветными металлами (свинцом, цинком, оловом и др.), особенно ни­ келем, медью и мышьяком, которые практически полностью пере­ ходят из шихты в металл и могут оказать существенное влияние на его свойства. Нежелательно также, чтобы в углеродистых отходах содержалось фосфора более 0,05%, так как удаление таких коли­ честв фосфора потребует продолжительного окислительного периода. Поэтому металлический лом должен быть освобожден от лома цвет­ ных металлов и рассортирован по происхождению. Знание проис­ хождения лома позволяет примерно оценить его состав и более пра­ вильно использовать его.

На заводах качественных сталей в электросталеплавильных цехах выплавляют сотни различных марок легированной стали. Часть из них содержит элементы, не поддающиеся окислению и трудно уда­ ляемые при пользовании обычными процессами. Отходы, содержащие такие элементы, могут быть использованы при выплавке стали опре­ деленного сортамента. Отходы легированных сталей должны быть рассортированы в группы, близкие по составу марок, и храниться отдельно от других отходов. Отходы некоторых наиболее сложно ле­ гированных марок следует хранить помарочно.

Металлический лом должен иметь определенные габариты. Мел­ кий лом, как правило, более окислен, замусорен и загрязнен маслом. Значительная окисленность лома не позволяет точно оценить долю угара металла, что чревато непопаданием в заданный химический состав готовой плавки. Разложение в зоне дуг ржавчины (гидрата окиси железа) и масла приводит к появлению в атмосфере печи ато­ марного водорода, интенсивно поглощаемого металлом.

Малая насыпная масса мелкого лома не позволяет завалить в печь всю шихту в один прием, вследствие чего, после расплавления первой порции шихты, приходится осуществлять подвалку. Это снижает производительность печи и увеличивает потери тепла.

Особые заботы доставляет переплав стружки. Длинная витая стружка затрудняет загрузку; как правило, она сильно загрязнена маслом и уже на месте получения смешивается с отходами стали дру­ гих марок, а часто и со стружкой цветных металлов. По этим при­ чинам стружку следует переплавлять на заводах Вторчермета и элек­ тросталеплавильным цехам поставлять изготовленные из нее пас­

215

портные болванки с известным химическим составом. Стружка, по­ ставляемая непосредственно в электросталеплавильные цеха, должна быть спрессована и обожжена. Дополнительные затраты па под­ готовку стружки вполне окупаются экономией, получаемой при ис­ пользовании доброкачественной шихты.

Нежелательно, чтобы в шихте были чрезмерно крупные куски — бракованные слитки, недоливки и т. п. В дуговой печи можно рас­ плавлять крупногабаритный лом, но продолжительность плавления при этом увеличивается, длительное время приходится работать на высокой мощности, что отрицательно сказывается на стойкости фу­ теровки. По этой причине максимальная масса отдельных кусков не должна превышать одной пятидесятой массы всей садки.

Для производства стали некоторых марок в состав шихты вводят специально выплавленную предварительно заготовку. Чаще всего она по своему составу представляет собой нпзкоуглеродистую сталь с ограниченным содержанием углерода, фосфора и серы, т. е. мягкое железо, полученное методом плавки на свежей шихте.

Мягкое железо должно быть в менее крупных кусках, чем леги­ рованные отходы, так как в связи с низким содержанием углерода оно плавится при более высокой температуре. Поэтому слитки мяг­ кого железа прокатывают на заготовку, которую затем рубят на куски определенного размера.

Мягкое железо намного дороже углеродистого лома и его исполь­ зование отрицательно сказывается на себестоимости стали. Исполь­ зование в шихте мягкого железа может быть оправдано только серьез­ ными технологическими затруднениями выплавки стали нужной марки.

Следует отметить, что для электропечной плавки характерен

торые могли бы заменить лом. В частности, неоднократно предпри­ нимались попытки заменить часть лома передельным чугуном. Однако все эти попытки заканчивались, как правило, неудачно.

Передел чугуна в сталь заключается в окислении находящихся в нем в избыточных количествах углерода, кремния, фосфора. Элек­ тропечи, как отмечалось в разделе II, плохо приспособлены для про­ ведения окислительных процессов, поэтому использование их для передела значительного количества чугуна нецелесообразно.

в реакторе чугуна. Однако появление и совершенствование кисло­ родно-конвертерного процесса сделали более целесообразным пере­ работку чугуна в сталь монопроцессом в конвертере.

В последние годы проводятся интенсивные всесторонние исследо­ вания плавки стали в электропечах с использованием высокометал-

лизированных окатышей (90—95% FeoCul, 85—90% FeMCT). По­ строены промышленные комплексы для работы с непрерывной за­ грузкой окатышей в дуговую печь и с непрерывной разливкой ме­ талла. Использование чистых по сере, фосфору и сопутствующим прн-

216

П р и м е ч а н и е . Указаны только нормируемые составляющие.

месям металлизованных окатышей позволяет при обычном качестве шихты выплавлять, применяя этот процесс, качественные стали. Плавка металлизированных окатышей в электропечах (бездоменнып процесс) при успешном решении проблемы эффективного вос­ становления окатышей может оказаться более эффективной по всем показателям, чем выплавка стали из чугуна в конвертерах.

Ш л а к о о б р а з у ю щ и е. При выплавке стали в основных дуговых печах для образования основного шлака используют из­ весть, известняк, плавиковый шпат, шамотный бой.и песок. Б кислых печах шлак наводят из песка, шамотного боя и извести.

Наиболее важной составляющей шлаковых смесей является из­ весть, которую получают обжигом известняка в шахтных печах при температуре 1100— 1300° С. При обжиге углекислый кальций из­ вестняка разлагается на окись кальция и углекислый газ СаС03 —> —>CaO -j- СОо.

Химический состав обожженной извести приведен в табл. 11. Содержание серы в известняке в большинстве случаев низкое, однако оно возрастает после обжига за счет серы топлива. Повышенное со­ держание серы в шлаке затрудняет процесс десульфурации металла. Содержание других окислов в извести ограничивают по следующим соображениям: кремнезема, чтобы при заданной основности шлака количество его было меньше; окиси магния, чтобы шлак был более жидкотекучим н активным; окислов железа, чтобы ие затруднять процесс десульфурации.

Для выплавки высококачественной стали используют только свежеобожженную известь. При хранении известь интенсивно погло­ щает влагу из воздуха с образованием гидроокиси кальция |СэО -|- + Н20 —>Са (ОН)21, которая рассыпается в порошок. Влага, вне­ сенная известью, в печи разлагается на кислород и водород, вызывая обогащение стали водородом. Поэтому применение пылеватой из­ вести, так называемой «пушонки», в электропечах совершенно не­ допустимо.

Вместо извести в окислительный период можно пользоваться не­ обожженным известняком. Применяют известняк, содержащий не менее 97% СаСОа (не менее 54% СаО). Известняк не гигроскопичен, его можно длительное время хранить. Разложение углекислого кальция в электропечи вызывает выделение пузырьков С02, которые обеспечивают перемешивание металла и шлака и способствуют дега­ зации металла. Окислительный углекислый газ окисляет примеси в металле, в частности углерод.

Отрицательной стороной применения известняка вместо извести является дополнительная затрата электроэнергии на разложение карбоната кальция.

Для разжижения высокоосновных шлаков применяют плавико­ вый шпат, песок и шамотный бой.

Как отмечалось при изучении свойств шлака, особенно сильно понижает его вязкость CaF2. К тому же использование CaF2 позво­ ляет разжижать высокоосновные шлаки без уменьшения их основ­ ности, что чрезвычайно важно для эффективного удаления серы.

218

Поэтому широкое применение для наводки шлака получил плавико* вый шпат, который в случае его использования при электроплавке должен содержать 90—95% CaF,, не более 3,0% SiO, и не более

0 , 2 % S .

Песок также понижает температуру плавления основных шлаков, но при этом понижается и основность шлака. Поэтому в основных печах песок находит ограниченное применение, в то время как в кис­ лых печах он является' главным шлакообразующим материалом. Основное требование, предъявляемое к песку, — высокое (минимум 95%) содержание S Ю2.

При выплавке нержавеющих сталей и для разжижения густых магнезиальных шлаков иногда используют бой шамотных огнеупоров, содержащих примерно 60% S i0 2 и 35% А120 3.

О к и с л и т е л и. Для интенсификации окислительных про­ цессов в металл необходимо вводить кислород. Источниками кисло­ рода служат железная руда, окалина и агломерат. Широкое распро­ странение получила продувка металла газообразным кислородом.

Железную руду применяют при выплавке стали методом полного окисления. Присадка руды небольшими порциями обеспечивает дли­ тельное равномерное кипение металла без повышения его темпера­ туры, так как присаживаемая руда постоянно охлаждает металл. Это имеет особое значение для эффективного удаления фосфора.

Руду используют в завалку и в окислительный период. Руда, присаживаемая в окислительный период через шлак, должна быть в кусках определенного размера, желательно 50— 100 мм в диаметре. Мс-лкая руда растворяется в шлаке, а крупные куски вызывают бурное вспенивание металла и шлака.

Кроме соответствия требованиям, касающимся определенного раз­ мера кусков, руда должна удовлетворять и требованиям по хими­ ческому составу: в ней должно содержаться много окислов железа и мало кремнезема, серы и фосфора (табл. 11). Наиболее богатой яв­ ляется криворожская руда, но в ней содержится довольно много фосфора и серы. Чистая по сере и фосфору бакальская руда харак­ теризуется повышенным содержанием пустой породы, что вызывает понижение основности шлака, увеличение его количества и требует дополнительных затрат электроэнергии.

Иногда вместо руды используют заменители — агломерат и ока­ лину от проката. Окалина от проката углеродистых сталей является наиболее чистым окислителем, но вследствие малого удельного веса она задерживается в шлаке. Необходимо учитывать также, что про­ катная и кузнечная окалина может содержать легирующие элементы, которые целесообразно использовать.

Для интенсификации окисления углерода во время окислитель­ ного периода плавки на свежей шихте, а также для быстрого повыше­ ния температуры металла, окисления избыточного углерода и со­ путствующих примесей при переплаве легированных отходов широко применяют продувку металла кислородом. Газообразный кислород чистотой около 99,5% подают в ванну под давлением 1—2 МПа

(10— 12 ат).

219