3. Результаты обработки металла нейтральными газами

Обработка металла нейтральным газом в ковшах в течение до 10 мин. обеспечивает существенное снижение колебания содержания основных элементов в стали, рис.7.16.

Рис. 7.16. – Частотное распределение колебания содержания С, Мn, S в стали типа 20Г, полученной без продувки (1) и с продувкой (2) в ковше аргоном.

Даже в 350т кошах разница между максимальным и минимальным содержанием основных элементов по ходу разливки обработанного металла составляла только около 0,01%. Одновременно с этим усредняется и снижается температура металла в объеме ковша, рис.7.17.

Рис. 7.17. – Сопоставление температуры на выпуске из конвертора стали 17ГС после усреднения в ковше (Т_к1) и после окончания обработки (Т_к2).

Перепад температуры в объеме ковша снижается примерно в 2 раза, а в зависимости от температуры футеровки ковша во время обработки температура металла понижается на 1,5 – 4,5˚С/мин. Это позволяет оптимизировать температуру разливки перегретого металла, регламентируя продолжительность продувки после контрольного замера температуры.

Рафинирующее воздействие продувки стали в ковше нейтральным газом во многом аналогично обработке вакуумом, но менее эффективно. Продувка аргоном раскисленной стали обеспечивает коагуляцию, флотацию и ассимиляцию неметаллических включений покровным шлаком. Общее содержание кислорода в стали в течение 6 мин. обработки снижается более чем в 2 раза, рис.7.18.

Рис. 7.18. – Изменение общего содержания кислорода в стали [О]_общ при обработке металла продувкой аргоном.

При этом замена шамотной футеровки ковшей на основную и снижение окисленности покровного шлака существенно улучшают ситуацию. Если продувается не полностью раскисленный металл, то при уменьшении парциального давления СО увеличивается активность углерода, становится возможным дораскисление металла, восстановление некоторых оксидных неметаллических включений и за счет увеличения количества газовых пузырей интенсифицируется взаимодействие металла с покровным шлаком. Возможна дополнительная десульфурация металла в результате снижения окисленности ванны. Дегазация металла при продувке инертным газом обуславливается тем, что в пузырьках аргона начальное парциальное давление водорода, азота и оксида углерода равны нулю и далеки от равновесных с металлом. Степень дегазации повышается с увеличением межфазной поверхности металл-газ, исходной концентрации газов в металле, времени всплывания пузырьков и мощности перемешивания металла. Для дегазации важно ввести в расплав мелкие пузыри аргона равномерно распределенные в объеме. В результате нагрева, уменьшения ферростатического давления при всплывании и перехода в пузыри растворенных газов они растут с увеличением поверхности металл-газ.

Первоначальные размеры и время всплывания пузырьков газа зависят от конструктивных параметров продувочных устройств. Если используются сопла, то размер пузырей определяется объемным расходом аргона q:

r_{n =} 0,48^. q ^1,5 (7.15)

При продувке через пористые вставки:

r¹_{n =} 3^. σ·d_n / (4^.q^. ρ_m) (7.16)

где σ - поверхность натяжения; d_n – диаметр пор; ρ_m – плотность металла. Содержащиеся в стали сера и кислород снижают поверхностное натяжение, но затрудняют адсорбцию азота в поверхностном слое.

Оценивают необходимый удельный расход аргона для дегазации металла по формуле, м ³/т:

(7.17)

где M_г – молекулярная масса удаляемого газа; μ - К.П.Д. продувки; Р – давление газа над расплавом, Па; [C] _K и [C]_H – конечное начальное содержание удаляемого газа, %; К – константа равновесия реакции растворения газа в металле при данной температуре Т по шкале Кельвина.

ℓg K_H = - - 1,577 (7.18)

ℓg K_N = - - 0,95 (7.19)

Из рисунка 7.19 следует, что для ощутимой дегазации стали расход аргона должен быть на уровне 3 м³/т, что приведет к значительному понижению температуры металла и увеличению затрат.

Рис. 7.19. – Удаление водорода при продувке аргоном спокойной (1) и кипящей (2) стали (А) – область обычных расходов аргона.

Обработка стали в ковше аргоном кроме повышения качества за счет рафинирования, позволяет повысить некоторые физические и механические свойства в результате изменения структуры в жидком состоянии. Перемешивание микронеравновесного расплава способствует ускорению диффузионных процессов и частично разрушает существующие в расплаве неравновесные комплексы сильно взаимодействующих частиц. Расплав приближается к состоянию равновесия с более равномерным распределением атомов основных, легирующих и примесных элементов. Часть прочных внутренних связей в неравновесных комплексах высвобождается, при этом увеличивается средняя энергия межчастичного взаимодействия, в результате чего увеличивается поверхностное натяжение расплава, энергия активации вязкого течения и кинематической вязкости расплава. Увеличивается также плотность, теплопроводность, магнитная восприимчивость и пр. Стабилизация свойств достигается обычно после продувки в течение 10 мин.

Обработанный металл затвердевает с увеличенной толщиной ламинарного слоя у фронта кристаллизации при меньшем развитии ликвации. Обеспечивается получение более плотной и однородной структуры, а излом ударных образцов становится преимущественно вязким, чашечным.

Это приводит к росту ударной вязкости и прочности металла, особенно в сталях и сплавах с повышенным содержанием карбидообразующих элементов.

К недостаткам технологии обработки стали аргоном в ковше относятся:

- высокий расход аргона для дегазации стали;

- большое снижение температуры металла при длительной обработке;

- наличие застойных зон в нижней части ковша;

- оголение металла из-под шлака;

- несовершенство техники ввода аргона;

- необходимость запаса объема ковша;

- рефосфорация при попадании в ковш плавильных шлаков.