Жидкая сталь

Обработка металла в условиях разрежения

Обработка металла в условиях разрежения влияет на протекание тех реакций и процессов, в которых принимает участие газовая фаза. Газовая фаза образуется при протекании реакции окисления углерода, процессов выделения растворенных в металле водорода и азота, а также процессов испарения примесей цветных металлов.

В стали всегда сдержится определенное количество углерода. При обработке вакуумом кислород, растворенный в металле, реагирует с углеродом с образованием оксида углерода в виде газовых пузырей (СО). Таким образом, происходит удаление кислорода из металла. Если кислород присутствует в виде оксидных включений, снижение давления сопровождается восстановлением оксидов углеродом.

Обработка металла вакуумом влияет и на содержание в стали водорода и азота. Содержание водорода в металле уменьшается при снижении давления его в газовой фазе. Водород в жидкой стали отличается большой подвижностью, имеет достаточно высокий коэффициент диффузии. В результате вакуумирования значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из металла.

Азот в металле менее подвижен, чем водород, и коэффициент диффузии его в жидкой стали значительно меньше. Поэтому интенсивность очищения расплава от азота под вакуумом гораздо ниже, чем от водорода, и требуется более глубокий вакуум, чтобы достигнуть заметного очищения металла от азота.

Процесс очищения металла от водорода и азота под вакуумом ускоряется протекающим одновременно процессом выделения пузырьков оксида углерода (СО), которые интенсивно перемешивают металл и способствуют удалению неметаллических включений.

Таким образом, при обработке металла вакуумом в нем уменьшается содержание растворенных кислорода, водорода, азота и содержание оксидных неметаллических включений. Кроме того, в тех случаях, когда металл содержит в повышенных концентрациях примеси цветных металлов, значительная часть их под вакуумом испаряется.

В настоящее время применяются ряд способов обработки стали вакуумом. Схемы некоторых из них представлены на рисунке 29. 

При вакуумировании в ковше, помещаемом в вакуумную камеру (рисунок 29а), растворенный в металле кислород взаимодействует с растворенным углеродом. Кроме того, из ванны энергично выделяются растворенный в металле водород и частично азот, и ванна вскипает. После дегазации металла из специального бункера вводят раскислители и легирующие добавки в ковш, находящийся в вакуумной камере. Недостатком такого способа является низкая эффективность при обработке большой массы металла, одновременно находящейся в условиях разрежения. Для обработки больших масс металла используют способы циркуляционного и порционного вакуумирования.

При циркуляционном вакуумировании (рисунок 29 б) два патрубка вакуумной камеры опускают в металл. При создании разрежения жидкая сталь под-нимается в камеру на определенную высоту. В металл подъемного патрубка через пористую огнеупорную вставку вдувают аргон. В результате получается газо-металлическая смесь меньшей плотности по сравнению со сталью, находящейся в другом патрубке. Эта смесь поступает в камеру, а дегазированный металл вытекает через сливной патрубок в ковш.

При порционном вакуумировании (рисунок 29 в) часть металла по каналу патрубка из ковша, находящегося под атмосферным давлением, всасывается в вакуумную камеру, выдерживается там некоторое время и возвращается в ковш при некотором опускании последнего. При очередном подъеме ковша в пределах погруженного в него патрубка в вакуумную камеру всасывается очередная порция жидкого металла. Повторение этих операций обеспечивает суммарный эффект вакуумирования стали, находящейся в ковше при атмосферном давлении.

Продувка стали инертным газом

Продувка стали инертным газом (рисунок 30) осуществляют в режиме образования пузырей инертного газа, перемешивающих жидкий металл в ковше.Инертный газ (чаще аргон) вводят различными способами в нижнюю часть ковша. Пузыри инертного газа перемешивают металл, выравнивают состав, если необходимо, то и снижают его температуру до заданного уровня.

Растворенные в металле водород и азот выделяются в газовые полости и удаляются. В результате содержание газов в стали снижается. Вследствие сильного перемешивания металла облегчается удаление в шлак неметаллических включений. Если требуется понизить содержание углерода в металле, то к инертному газу добавляют кислород.

Совмещение продувки инертным газом с выдержкой в условиях разрежения, а также применение синтетического шлака при продувке инертным газом способствуют более эффективному удалению из металла вредных примесей и неметаллических включений.

Обработка металла синтетическим шлаком

Обработка металла синтетическим шлаком проводится для интенсификации и повышения полноты перехода в шлак серы, фосфора и кислорода. Обработку ведут перемешиванием металла с жидким синтетическим шлаком в ковше во время выпуска металла из сталеплавильного агрегата. Одновременно из шлакового ковша подают струю жидкого шлака на струю жидкой стали. Синтетический шлак предварительно выплавляют в электродуговой печи и перед обработкой металла выпускают в шлаковый ковш. Расход синтетического шлака обычно не превышает 6% от массы металла. Продолжительность обработки стали синтетическим шлаком ограничивается длительностью выпуска металла из агрегата в ковш. Для повышения эффективности обработки необходимо при выпуске металла из сталеплавильного агрегата отделять технологический шлак, не давая ему попадать в ковш.

При перемешивании металла со шлаком во время обработки состав синтетического шлака изменяется по сравнению с начальным составом. Переходит из металла часть серы, примешиваются продукты раскисления стали, а также иногда нежелательная часть конечного шлака из сталеплавильного агрегата. Это и короткий период перемешивания металла со шлаком не позволяет использовать полностью способность синтетического шлака к удалению серы из металла.

Более полное использование шлака для удаления примесей осуществляют обработкой металла синтетическим шлаком в условиях разрежения. Ковш с жидким шлаком устанавливают в вакуумную камеру, а сверху подают струю металла. Под влиянием разрежения происходит вспенивание шлака и дробление струи металла на мельчайшие капли, что способствует увеличению поверхности взаимодействия шлака и металла. 

Продувка металла газо-порошковыми струями

Продувка металла газо-порошковыми струями осуществляется вдуванием тонкоизмельченных твердых реагентов струей газа. Это ведет к увеличению поверхности контакта твердых реагентов с металлом и интенсивному удалению примесей.

В качестве твердых реагентов используют различные смеси извести, железной руды, плавикового шпата, карбида кальция, графита. Газом-носителем могут являться воздух, кислород, азот, аргон, природный газ.
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 вводится в состав смесей для повышения жидкотекучести шлака. 

Этот метод применяют для введения в струе аргона в металл сильнодействующих реагентов (кальций, магний), которые из-за больших энергий взаимодействия и выделения большого количества тепла обычными способами вводить в металл нельзя.