книги из ГПНТБ / Производство стали в конвертерах учебное пособие для подготовки квалифицированных рабочих на производстве С. И. Лифшиц. 1960- 17 Мб

поскольку недостаток FeO замедляет переход извести в раствор

и затрудняет развитие реакции (12). При работе с плавиковым шпатом растворение извести в шлаке происходит быстрее, неза­ висимо от содержания (FeO) в шлаке.

Десульфурации помогают присадки боксита, разжижающие основной шлак. Кроме того, наличие глинозема в шлаке ускоря­ ет переход извести в раствор, что в свою очередь ускоряет ре­ акцию (12).

Десульфурация при кислом конвертерном процессе невоз­ можна, поскольку в шлаке отсутствуют основные окислы, необ­ ходимые для перевода серы в соединения, нерастворимые в ме­ талле. Закись марганца в кислом шлаке связана с кремнеземом

в силикаты.

7. Окисление хрома и ванадия

Хром легко окисляется при продувке металла за счет кисло­ рода FeO по реакции

успешно развивается в начальные периоды продувки, когда тем­

пературы еше невысоки. Окись хрома Сг2О3 является нейтраль­

ным окислом, не образующим соединений с другими окислами и

сильно повышающим температуру плавления шлака. Хромистые шлаки очень густые, что создает ряд затруднений в ведении про­ дувки. При известных условиях хром из шлака может восстанав­ ливаться в металл. Поэтому к реакции хрома можно применить

законы равновесия.

Константа равновесия реакции (13)

отсюда

гГг! - 1 / <Сг2О3) ■ [Fe|~

V КСг • (геО)3 ’

т. е. для уменьшения содержания хрома необходимо высокое со­ держание FeO в шлаке и низкое содержание в нем Сг2О3. Для получения металла с низким содержанием хрома нужно работать со скачиванием шлака.

хром успешно окисляется в конвертерах как с кислой, так и с ос­

новной футеровкой. При продувке в бессемеровском конвертере

чугуна с 3,60—4,01% С, 1,46—2,44% Si, 0,71—0,74% Мп и 2,64—

2,75% Сг достигалось содержание хрома в металле 0,22—0,53% при 1,92—1,60% С. В шлаке содержалось 25—30% Сг2О3 и он

был комкообразным. При продувке в томасовском конвертере

окисление хрома достигает таких же пределов, как и в бессеме­ ровском.

В томасовских чугунах, выплавляемых из руд Керченского месторождения, содержится 0,10—0,13% V; в чугунах, выплав­ ленных из уральских титано-магнетитовых руд, содержится 0,5—

0,6% V. Ванадий полностью окисляется в первые минуты про­ дувки чугуна в конвертере с получением окисла V2O5. При про­ дувке в кислом конвертере в течение 3 мин. получается шлак в количестве 2—3% от веса чугуна с содержанием 10—16% V2O5. Этот шлак скачивается и идет на дальнейшую переработку для

извлечения ванадия. Полупродукт перерабатывается в мартенов­

ских печах.

Окисление ванадия в томасовском конвертере путем короткой продувки также возможно (без присадки извести). Однако из­ влечение ванадия из основного шлака сложнее и дороже.

IV. РАСКИСЛЕНИЕ СТАЛИ

Кислород является полезным реагентом в период продувки, так как он окисляет примеси чугуна, но, оставаясь растворенным в металле, кислород становится вредной примесью. Вероятнее всего, кислород в жидком железе растворен в виде FeO. Кисло­ род увеличивает хрупкость стали, химическую неоднородность

слитка, вызывает явления красноломкости при ковке и прокатке, повышает количество неметаллических включений в стали и

ухудшает ряд свойств ее. Чем ниже содержание углерода в ста­ ли, тем больше в ней кислорода. Поэтому при продувке металла до низких содержаний углерода (0,05—0,07%) с последующим науглероживанием до заданного, как это делается, например, при томасовском процессе, в некоторых случаях при бессемеров­ ском переделе и при продувке чугуна кислородом сверху содер­ жание кислорода в стали выше, чем в тех случаях, когда продув­ ка сразу останавливается на заданном содержании углерода.

В конце процесса жидкая сталь раскисляется, т. е. освобож­

дается от растворенной в ней закиси железа. Раскисление мо­ жет быть трех видов:

1)осаждающее раскисление;

2)диффузионное раскисление;

3)раскисление путем обработки жидкой стали в ковше син­

тетическими (искусственными) шлаками.

При конвертерных способах производства стали чаще всего пользуются осаждающим раскислением и в особых случаях об­ работкой стали в ковше синтетическими шлаками.

1. Осаждающее раскисление

Раскислителями являются такие элементы, которые обладают

большим сродством к кислороду, чем железо, и которые дают окислы более устойчивые, чем FeO. Окислы элементов раскисли­ телей должны быть нерастворимы в металле и выделяться в ви­ де «осадка», который должен всплывать в зону шлака.

Осаждающее раскисление в общем виде может быть выраже­ но следующими реакциями:

Константа равновесия реакции (14) определяется следующим выражением:

=[MeО] ■ [Fe] [FeO] • [Me] ’

отсюда

1[FeO] = К ■ [Me]

т. e. содержание FeO в металле тем меньше, чем выше концент­

рация раскислителя Me и чем меньше окисла раскислителя Л1еО остается в металле в виде «осадка» (неметаллического включе­ ния). Таким образом, для успешного раскисления .необходимо развитие и реакции (15)—перехода окисла раскислителя из ме­ талла в шлак. Поэтому лучшими будут такие раскислители, или их сочетание, которые дают окислы с низкой температурой плав­ ления, способные сливаться (коагулировать) в крупные капли и быстро всплывать в шлак. По этим же соображениям продукты раскисления должны иметь возможно меньший удельный вес.

Удаление продуктов осаждающего раскисления из стали оп­ ределяется известной формулой

ше размеры частицы, чем меньше ее удельный вес и чем мень­

ше вязкость стали.

Таким образом, задача раскисления заключается:

а) в снижении до возможного минимума содержания кисло­ рода в стали (исключением является производство кипящей ста­ ли, в которой требуется определенная концентрация кис’лорода для обеспечения кипения в изложницах);

б) в удалении из металла получившихся продуктов раскисле­ ния.

Наиболее употребительными раскислителями являются мар­ ганец, кремний и алюминий. В некоторых случаях конвертерную сталь раскисляют также кальцием и титаном.

Продукт реакции раскисления — кремнезем — имеет темпера­ туру плавления 1710°, т. е. выше обычно достигаемых температур жидкой стали в период раскисления. Очень мелкие частицы крем­ незема с трудом удаляются из стали. Предварительное раскисле­ ние стали марганцем, до присадки кремния, создает благоприят­ ные условия для удаления кремнезема, так как ЭЮг с МпО дает

легкоплавкие, увеличивающиеся в размерах путем каогуляции и легко всплывающие частицы. Раскисление стали сплавами крем­ ния и марганца (силикомарганцем, силикошпигелем) облегчает образования легкоплавких силикатов марганца, жидкая сталь легче освобождается от продуктов раскисления и, следователь­ но, полнее раскисляется.

Кремний значительно более сильный раскислитель, чем мар­ ганец. Он снижает концентрацию FeO в стали до таких низких пределов, что кипения в изложницах не происходит: сталь полу­

чается спокойной.

В практике раскисления качественных сталей ферромарганец присаживается в конвертер, а ферросилиций — в ковш, либо си­

ликомарганец— в конвертер.

Раскисление алюминием. Алюминий является самым сильным из обычно применяющихся раскислителей. Ничтожно малые ко­

личества остаточного алюминия в стали снижают содержание кислорода в ней до тысячных и десятитысячных долей процента.

Реакция раскисления алюминием:

3 [FeO] + 2 [Al] = [А12О3] + 3 [Fe] + 200 410 кал.

Продукт раскисления глинозем АЬОз— устойчивый окисел, с малой упругостью диссоциации, имеет температуру плавления 2050° и находится в жидкой стали в виде мельчайших твердых частиц, очень трудно всплывающих в шлак. Наличие в стали взве­ шенных частиц А12О3 придает стали повышенную вязкость

(густоту), вызывающую ряд пороков при разливке. Для умень­ шения угара алюминия он присаживается в сталь после раскис­

ления ее марганцем и кремнием. Опытом для каждой марки ста­ ли должно быть установлено то минимальное количество алюми­ ния, которое обеспечивает надлежащую раскисленность конвер­ терной стали, не вызывая заметного увеличения ее вязкости.

Применение в качестве раскислителя комплексного сплава АМС, в котором содержатся алюминий, марганец и кремний,

дает легкоплавкие соединения, состоящие из AI2O3, МпО и SiO? и легко удаляющиеся из стали. Экспериментально установлено,

что при применении сплава АМС количество неметаллических включений в стали в три раза меньше, чем при раздельном рас­

кислении ферромарганцем, ферросилицием и алюминием.

Раскисление титаном. Титан применяется в качестве легирую­

щей добавки и является одновременно хорошим раскислителем,

приближающимся по своему раскисляющему действию к крем­

нию.

Реакция раскисления титаном

2 [FeO] + [Ti] = [TiO2] + 2[Fe],

стали получается у алюминия, имеющего наибольшую раскисли-

тельную способность.

2. Диффузионное раскисление

Закись железа растворима в металле и в шлаке. Распределе­

вызовет диффузию ее из металла в шлак, т. е. раскисление ста­ ли. Этот вид раскисления имеет то преимущество, что результа­ том его не являются неметаллические включения, как при осаж­ дающем раскислении.

з*

36 Раскисление стали

На шлак подаются раскислители либо в виде смеси, имеющей в своем составе углерод, ферросилиций, алюминий (порошок) и др., либо раздельно. За счет углерода, кремния, алюминия рас­

кисляется шлак, в нем уменьшается содержание FeO, что влечет за собой переход ее из металла в шлак. В общем виде диффузи­ онное раскисление может быть представлено следующим обра­

зом:

(FeO) 4- [Me} = (Me О) + [Fe];

[FeO] (FeO).

При производстве стали в конвертерах шлак не обрабатывает­ ся раскисляющими смесями, т. е. диффузионное раскисление в его чистом виде не применяется. В конвертерном производстве

металл иногда раскисляется синтетическими шлаками.

3. Раскисление синтетическими шлаками

Метод раскисления стали синтетическими шлаками заклю­ чается в том, что сталь из конвертера сливается в ковш, в кото­ рый до этого было залито определенное количество жидкого шлака, полученного в другом плавильном агрегате. В этом шла­ ке очень низкое содержание FeO. Реакция [FeO]->(FeO), медлен­ но протекающая в мартеновской печи, очень быстро развивается в ковше при перемешивании металла со шлаком, так как при

этом контактная поверхность в 1000—100 000 раз больше, чем в мартеновской или электросталеплавильной печи. Содержание

FeO в стали при этом будет пропорционально содержанию сво­ бодной FeO в шлаке. При раскислении кислыми синтетическими шлаками эффект раскисления будет выше, чем при раскислении основными, так как в кислых шлаках меньше свободной FeO.

Шлак должен быть такого состава, чтобы он легко отделялся от металла, был способен к коагуляции (укрупнению) и быстро­ му всплыванию.

Обычно основной металл обрабатывают кислыми шлаками,

например такого состава, %:

Кислый металл (бессемеровский, мартеновский) обрабатыва­ ют основным шлаком с низким содержанием FeO, например та­

кого состава, %:

Обработка металла жидкими синтетическими шлаками, по­

лучаемыми в мартеновских или электросталеплавильных печах, сильно усложняет производственную схему и применяется только в исключительных случаях.

Некоторый раскисляющий эффект может быть достигнут при

обработке металла порошкообразными шлакообразующими сме­

сями, но результаты такой обработки значительно уступают ре­ зультатам, получаемым при раскислении металла жидкими шлаками.

Для конвертерной стали важно, чтобы шлак одновременно с

раскисляющей способностью обладал бы способностью дефосфо­ рации.

V.ГАЗЫ И НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ВКЛЮЧЕНИЯ

ВСТАЛИ

Вжидкой стали растворяются кислород, азот и водород. Все эти газы ухудшают качество металла. Кислород увеличивает хрупкость стали особенно при низких температурах, вызывает красноломкость при прокатке и ковке и увеличивает склонность стали к старению (увеличению хрупкости по мере службы ме­ талла) .

Значительное влияние на свойства стали оказывает азот; осо­

бое значение это имеет для конвертерного металла. Азот увели­ чивает хрупкость стали, твердость ее, прочность и склонность к старению, резко снижая пластические свойства металла. Свари­ ваемость стали электросваркой сильно ухудшается при содержа­

нии азота в ней выше 0,008%.

Водород снижает ударную вязкость стали. Самым опасным пороком, вызываемым растворенным в стали водородом, являют­ ся флокены — мельчайшие трещины, образующиеся в твердом

углеродистом и легированном металле в результате выделения в его микропоры водорода, развивающего высокое давление, до­ статочное для нарушения сплошности металла. Водород может вызывать в стали пузыри — вздутия на толстых и тонких листах.

Источниками газов являются жидкий чугун, скрап, ферро­ сплавы, руда, известь и содержащиеся в дутье азот и влага. В жидком чугуне в летние месяцы, когда относительная влаж­ ность воздуха увеличивается, содержание водорода может до­ стигать 3 см3 на 100 г металла. Содержание азота колеблется в широких пределах— от 0,001 до 0,01%.

Концентрация газов в скрапе, который применяется для ох­ лаждения конвертерных процессов, зависит от его состава. Вме­ сте со скрапом, кроме водорода и азота, вносится влага со ржав­ чиной. При нагревании и расплавлении скрапа ржавчина разла­ гается и образующийся водород растворяется в жидком металле.

Раскислители и легирующие добавки также являются носи­ телями кислорода, водорода и азота.

Влага руды, окалины и особенно лежалой полуразложившейся извести-пушонки диссоциирует при высоких температурах,

что значительно повышает парциальное давление водорода в конвертерных газах и увеличивает его растворение в металле.

Исследованиями установлено, что водород и азот в молеку­