4.4 Методы повышения качества стали

Для целого ряда изделий современной техники требуется высококачественная сталь, содержащая минимальное количество газов, неметаллических включений и других нежелательных примесей, однородная по свойствам, с отсутствием других дефектов.

Неметаллические включения существенно снижают конструк­ционную прочность. Они нарушают сплошность металлической основы и служат концентраторами напряжений. Хотя содержа­ние неметаллических включений в стали составляет по объему всего лишь 0,1 —0,3 %, а по массе примерно в 2 раза меньше, они ответственны за зарождение и последующее развитие 70 — 90 % микротрещин.

В некоторых случаях удовлетворить эти требования при обычном ведении плавки в конвертере, электропечи или мартеновской печи невозможно.

Поэтому для получения металла ответственного назначения и стали применяются особые способы улучшения качества стали, основанные на использовании следующих технологических приемов:

а) обработке металла вакуумом;

б) продувке металла инертными газами;

в) перемешивании капель металла со специально приготовленным шлаком;

г) продувке металла порошкообразными материалами;

д) ускоренной или направленной кристаллизации металла.

Обработка металла вакуумом влияет на протекание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза.

В стали практически всегда содержится определенное количество углерода. Равновесие реакции [С] + [О] = СОгаз; при обработке вакуумом сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя окись углерода. В тех случаях, когда кислород в металле находится в составе оксидных неметаллических включений снижение давления над расплавом приводит в результате взаимодействия с углеродом к частичному или полному разрушению этих включений:

(МеО) + [С] =Ме + СОгаз (4.12)

Обработка металла вакуумом влияет и на содержание в стали водорода и азота.

Процесс очищения металла от водорода и азота под вакуумом ускоряется одновременно протекающим процессом выделения пузырьков окиси углерода.

Продувка металла инертными газами в известной мере влияет так же, как обработка вакуумом. При продувке инертными газами массу металла пронизывают тысячи пузырьков инертного газа (обычно аргона). Каждый пузырек представляет собой маленькую «вакуумную камеру», так как парциальные давления во­дорода и азота в таком пузырьке равны нулю. При продувке инертным газом происходит интенсивное перемешивание металла, усреднение его состава

Продувка инертным газом сопрово­ждается снижением температуры металла, поэтому ее часто используют для регулирования температуры металла в ковше. Технически операция продувки больших масс металла инертными газами в ковше проще и дешевле, чем обработка вакуумом. Во многих случаях продувку металла инертным газом проводят одновременно с обработкой вакуумом, что ускоряет процессы вакуумирования и делает его более эффективным. В качестве инертного газа чаще всего используют аргон. Когда это возможно, при производстве стали простых марок, невысоких температурах, аргон заменяют более дешевыми газами (азотом или даже паром).

Таким образом, при продувке металла инертными газами достигают:

1) энергичного перемешивания расплава, облегчения протекания процессов удаления в шлак нежелательных примесей;

2) усреднения состава металла;

3) уменьшения содержания газов в металле

4) облегчения условий протекания реакции окисления углерода

5)снижения температуры металла

Перемешивание металла со специально приготовленным («синтетическим») шлаком позволяет интенсифицировать переход в шлак тех вредных примесей которые удаляются в шлаковую фазу: серы, фосфора, кислорода (в виде оксидных неметаллических включений). Обычно этот используют для удаления серы, поэтому основой «синтетического» шлака является СаО. Если ставится задача очистки металла от неметаллических включений определенного состава, то соответственно подбирают состав «синтетического» шлака. Во всех случаях задача заключается, во-первых, в получении шлака нужного состава и, во-вторых, в разработке способа получения максимальной поверхности контакта шлаковой и металлической фаз. Естественно, что при этом должны быть обеспечены условия, необходимые для последующего отделения шлака.

Продувка металла порошкообразными материалами (или вдувание в металл порошкообразных материалов) также имеет целью обеспечить максимальный контакт вдуваемых твердых реагентов с металлом. Вместе с тем положительная сторона метода состоит в том, что реагент в металл вдувается струей газа-носителя, который сам оказывает определенное воздействие на металл. Газом-носителем может быть и окислитель (например, кислород или воздух) и восстановитель (например, природный газ) и нейтральный газ (например, аргон).

Для удаления фосфора в струе кислорода в металл вдувают твердую смесь, состоящую из извести, железной руды и плавикового шпата, для удаления серы в металл вдувают в струе аргона смесь извести и плавикового шпата (плавиковый шпат CaF₂ вводится в состав смесей для повышения жидкотекучести шлака). Этим способом можно вдувать в такие сильнодействующие реагенты, которые из-за больших энергий взаимодействия и соответствующего пироэффекта обычными способами вводить в металл нельзя (кальций, магний) или из-за их вредного действия на здоровье опасно (свинец, селен, теллур).

Для осуществления вдувания в металл порошкообразных реа­гентов необходимо иметь комплекс соответствующего обо­рудования (устройства для размола, фурмы и т. д.).

Ускоренная или направленная кристаллизация металла имеет целью улучшить структуру слитка, ликвидировать или уменьшить ликвацию, центральную рыхлость и пористость и тому подобные пороки. Чем больше масса слитка, тем медленнее он кристаллизуется и тем сильнее в обычных условиях развиваются ликвационные и другие неприятные явления. Искусственное охлаждение слитков (применяемое, например, при непрерывной разливке стали) ускоряет процесс кристаллизации и положительно влияет на качество слитка. Обычно для интенсивного охлаждения поверхности слитка (непосредственно или через стенки кристаллизатора) пользуются водой.

Эти общие положения на практике реализуют различными способами, которые условно можно разбить на две большие группы: а) переплавные процессы; б) внепечная обработка стали.