16(2). Внеагрегатная обработка стали (внепечное рафинирование)

Неотъемлемой частью современного сталеплавильного производства является внепечная (внеагрегатная, ковшевая) обработка стали. Этим способом осуществляют доводку стали до заданного химического состава и ее рафинирование от газов, неметаллических включений и других примесей с целью получения стали заданного качества.

Современная концепция производства качественной стали базируется на обязательном применении сталеплавильного агрегата совместно с обработкой жидкой стали в ковше, которая может основываться на использовании следующих технологических приемов: продувка инертным газом; вакуумирование, порционное и циркуляционное; обработка жидким синтетическим шлаком и твердыми смесями, а также комплексная обработка стали вышеперечисленными способами.

Обработка жидкой стали жидким синтетическим шлаком. В ковш выпускают жидкий шлак, выплавленный в шлакоплавильной печи; затем на шлак выпускают жидкую сталь из сталеплавильной печи. В рез-те интенсивного перемешивания вредные примеси из стали (газы, неметаллические включения) переходят в шлак. Количество шлака составляет 3-5% от массы жидкой стали. Шлак выплывает в ковше, что дает возможность получить чистую по неметаллическим включениям сталь.

Продувка стали в ковше инертным газом (аргоном) осуществляется через вертикальную фурму или через пробку в днище ковша. При продувке пузырек инертного газа интенсифицирует реакцию обезуглероживания стали. На поверхность пузырька налипают неметаллические включения, которые выносятся на поверхность металла в шлак. Пузырек аргона интенсифицирует деазотацию жидкой стали, однако, содержание водорода снижается при этом незначительно. Таким образом получают чистую рафинированную сталь.

Способы порционного и циркуляционного вакуумирования осуществляют в вакуумной камере, в которую металл поступает из ковша. Вакуумирование предназначено для обезуглероживания стали и удаления водорода. Необходимо иметь в виду, что при обработке вакуумом испаряется и железо и полезные примеси (очень интенсивно, например, испаряется марганец). Однако эти потери становятся ощутимыми лишь при очень глубоком вакууме и очень длительной выдержке.

Комплексная внепечная обработка. Чаще всего производят вакуумирование и продувку инертным газом стали, что позволяет усилить положительный эффект от этих способов.

15(2). Специальная электрометаллургия

Электрометаллургия – область металлургической науки и техники, использующей электроэнергию для расплавления материалов или для непосредственного восстановления металлов из расплавов или водных растворов (электролиз).

Для производства специальных сталей и сплавов особо ответственного назначения применяют процессы электроплавки, объединенные термином специальная электрометаллургия. Главное отличие этих процессов – повышенная степень защищенности металла от контакта с воздухом под слоем шлака (в электрошлаковой технологии), в нейтральной газовой среде (в плазменных или индукционных печах), в вакууме (в вакуумных печах).

В состав электросталеплавильного производства входят методы специальной электрометаллургии: открытая индукционная плавка (ОИП); вакуумная индукционная плавка (ВИП); электрошлаковый переплав (ЭШП); вакуумный дуговой переплав; плазменный дуговой переплав; лазерная плавка, СВЧ – плавка, оптическая плавка.

Вакуумный индукционный переплав позволяет получить металл строго заданного состава, очень чистый по содержанию газов, неметаллических включений, примесей цветных металлов. К недостаткам этого способа следует отнести необходимость обеспече­ния контакта металла с футеровкой и применения сравнительно сложного оборудования.

Вакуумный дуговой переплав. Под воздействием высоких температур, возникающих в зоне электрической дуги между переплавляемым электродом и поддоном кристаллизатора, металл на нижнем торце электрода расплавляется, и капли расплавленного металла падают в ванну кристаллизующегося под воздействием охлаждения кри­сталлизатора нового слитка. До начала операции печь вакуумируют; вакуумные насосы продолжают работать в течение всей плавки. Таким образом, капли металла падают через вакуумированное пространство, при этом обеспечивается очень полное очищение металла от газов, оксидных неметаллических включений, от примесей некоторых цветных металлов и получается плотный слиток. В результате ВДП механиче­ские характеристики металла улучшаются. В современных установ­ках ВДП получают слитки массой от нескольких сотен килограм­мов до крупных слитков массой 40—50 т. Достоинством способа ВДП является отсутствие контакта ме­талла с огнеупорной футеровкой, недостатком — невозможность снижения содержания серы (отсутствие шлаковой фазы).

Электрошлаковый переплав. Электрическая цепь между расходуемым электродом и наплавляемым слитком замыкается через слой расплавленного шлака (электрическая дуга отсутствует). Жидкий шлак электропроводен, но обладает высоким сопротивле­нием, он нагревается до температуры 1700—2000°С, в результате чего погруженный в него конец расходуемого электрода оплав­ляется, и металл в виде капель проходит через слой шлака и засты­вает в ванне кристаллизатора в виде плотного слитка.

Проходя через шлак, капли металла очи­щаются от серы, в них снижается содержание неметаллических вклю­чений, в кристаллизаторе обра­зуется плотный качественный сли­ток. Оборудование ЭШП дешевле, чем при ВДП. Это обусловило широкое распространение этого вида переплава.

Электроннолучевым и плазменно-дуговым переплавами пока пользуются в более ограниченных масштабах и применяют их для производства в небольших количествах особо чистых сплавов.

Что касается плазмен­ного переплава, то в настоящее время плазма начинает все в боль­ших масштабах заменять электрическую дугу в открытых дуговых печах. Применение этого метода позволяет избежать серьезных недостатков электросталеплавильного производства: шума и боль­шого количества выделяющейся плавильной пыли. Однако себе­стоимость стали при замене дуговых печей на плазменные пока еще выше.