5.3.3.5 Внепечная обработка и разливка металла
Внепечная обработка является последней технологической операцией производства стали перед разливкой. Цель внепечной обработки – интенсификация выплавки стали и повышение качества путем частичного переноса процессов удаления примесей из плавильных агрегатов в сталеразливочный ковш. Внепечная обработка может включать раскисление, легирование стали, ее вакуумную обработку, продувку инертными газами, рафинирование синтетическими шлаками и смесями.
Раскисление стали служит для снижения в ней концентрации растворенного кислорода и полного удаления продуктов раскисления. Предварительное раскисление проводят непосредственно в конце плавки, используя относительно слабые раскислители (силикомарганец, 75-про-центный ферромарганец). Иногда раскисление осуществляют только в ковше. В этом случае наряду со слабыми используют сильные раскислители (75-процентный ферросилиций, силикоалюминий, силикокальций, алюминий и др.). В зависимости от степени раскисления различают кипящую, полуспокойную и спокойную стали.
Кипящая сталь раскисляется частично и застывает с обильным выделением газов, представленных оксидом углерода (продуктом взаимодействия растворенных в жидком металле углерода и кислорода), образующим газовые полости в металле. Спокойную сталь раскисляют избытком раскислителя. Это способствует получению слитка с плотным строением. Полуспокойная сталь по степени раскисленности и строению слитка занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной.
Газовые полости в кипящем слитке при обжатии на прокатном стане «завариваются». Величина обрези у спокойной стали составляет 15–20%, у кипящей – менее 6%, у полуспокойной – 5–8%.
Одновременно с раскислением проводят легирование стали, используя чистые металлы или ферросплавы (никель, кобальт, молибден, хром, ванадий, титан).
Вакуумная обработка в соответствии с законом квадратного корня, за счет снижения внешнего давления позволяет уменьшить концентрацию газов (азота, водорода) в металле. Получила распространение практика 10–25-минутной обработки стали в ковше, размещенном в вакуумной камере с давлением 250–600 Па. Содержание водорода и азота при этом снижается на 30–60 %, кислорода – до 4–10 раз (в кипящей стали).
Для сохранения результатов вакуумной дегазации, снижающихся при последующей разливке стали на воздухе, зеркало металла защищают шлаком и струю металла – нейтральным газом.
Эффект вакуумной обработки возрастает при ее совмещении с перемешиванием металла в ковше струей аргона или азота, подаваемой в ковш снизу. Продувка ковша азотом или аргоном может применяться как самостоятельный прием без вакуумной обработки.
Рафинирование синтетическими шлаками заключается в том, что в ковш предварительно заливают 3–5% специально приготовленного жидкого шлака, а затем туда выпускают сталь. За счет падения струи металла с большой высоты происходит эмульгирование металла и шлака на мельчайшие капли, а поверхность их контакта возрастает в 104–105 раз, что обусловливает высокую скорость взаимодействия фаз и эффективное рафинирование за 5–10 мин. Обычный состав синтетического шлака, %: 40–45 Al2O3, 50–55 CaO, минимальное содержание FeO – главное требование к составу синтетических шлаков.
где [Н] – содержание водорода в стали;
–
парциальное
давление водорода;
К – константа равновесия реакции диссоциации Н2 2Н.
Аналогичный эффект дает обработка стали синтетическими смесями – в виде порошковой проволоки или порошков. Порошковая проволока представляет собой стальную оболочку с заключенным в нее порошком. Присадка ее в ковш производится с использованием специального оборудования (подающей и направляющей катушки). Порошкообразные реагенты в количестве 3–5 кг на 1 т стали вдувают в расплав струей инертного газа (аргона) через погруженную в металл футерованную трубу. Используют порошки СаО, СаО + CaF2, CaC2 (карбида кальция), SiCa + CaO и др. При этом удаляется до 90% S и уменьшается количество неметаллических включений в стали.
Разливка металла – заключительная стадия сталеплавильного процесса. Металл из ковша разливают в изложницы сверху или сифоном (рисунок 5.5) и на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).
Основное количество (90–96%) стали в развитых странах проходит через МНЛЗ. В Росси, родине непрерывной разливки, ее доля составляет 47%.
Наибольшее распространение получили МНЛЗ криволинейного (радиального) и вертикального типа, в том числе с изгибом заготовок (рисунок 5.6).
1 – сталеразливочный ковш; 2 – центровая; 3 – прибыльная надставка;
4 – изложница; 5 – поддон; 6 – сифонный кирпич; 7 – стопор
Рисунок 5.5 – Схема разливки стали сверху (а) и сифоном (б)
а – вертикальные; б – вертикальные с изгибом заготовок; в – радиальные; 1 – разливочный ковш; 2 – промежуточный ковш; 3 – кристаллизатор;
4 – зона вторичного охлаждения; 5 – тянущая клеть; 6 – устройства для резки заготовок; 7 – затравка; 8 – рольганг; 9 – устройства для изгиба заготовки; 10 – устройство для охлаждения; 11 – отводящий рольганг
Рисунок 5.6 – Машины непрерывного литья заготовок
В последнее время применяют и горизонтальные конструкции разливочных машин. Криволинейные МНЛЗ имеют сравнительно небольшую высоту (10 – 12 м), а вертикальные – до 30 – 40 м, что вызывает значительные трудности при эксплуатации и удорожает строительство. Установки конструируют с 1, 2, 3, 4, 6, 8 ручьями, что позволяет получить нужное количество слитков.
Сущность непрерывной заливки заключается в том, что жидкая сталь непрерывно поступает в промежуточный ковш, а из него – в водоохлаждаемый кристаллизатор, представляющий сквозную изложницу. Перед началом разливки в кристаллизатор снизу вводят затравку, являющуюся его дном.
Образующийся слиток вытягивается из кристаллизатора при помощи валков (тянущая клеть). В зоне вторичного охлаждения поверхность слитка интенсивно орошается водой из форсунок до полного затвердевания. В зоне резки слиток разделяют на заготовки необходимой длины при помощи газовой горелки или гидравлических ножниц. Для предотвращения окисления металла в верхней части кристаллизатора создают защитную атмосферу (природный газ, аргон).
Скорость вытягивания слитка равна 0,4–10 м/мин, которая снижается с увеличением сечения заготовок. Для блюмовой заготовки она достигает 520–520 мм, для слябов их ширина может составлять 2500 мм. В настоящее время все большее распространение получают МНЛЗ для получения заготовок по профилю и сечению, приближающихся к готовым изделиям.
МНЛЗ имеет ряд преимуществ перед другими способами разливки: обеспечивает 96–98% выход годного металла, меньшее загрязнение, более однородную структуру и состав металла; дает слитки различного сечения, включая заготовки для труб, рельсов, что исключает потребность в прокатах слитка на обжимных станах: блюмингах и слябингах. Годовая производительность МНЛЗ превышает 1 млн. т стали.