Металлургия стали

Содержание

1. (35) Рассмотрите вопрос формирования шлака и шлаковый режим кислородно – конвертерной плавки.
2. (115) Приведите технологию разливки кипящей стали и условия получения нормальной здоровой корочки слитка.
3. (121) Приведите методы утепления главной части слитка и охарактеризуйте их эффективность.
4. (135) Изложите теоретические основы вакуумного рафинирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. (35) Рассмотрите вопрос формирования шлака и шлаковый режим кислородно – конвертерной плавки.

 

Важным в технологии кислородно-конвертерного  процесса является шлакообразование. Шлакообразование в значительной мере определяет ход удаления фосфора, серы и других примесей, влияет на качество выплавляемой стали, выход годного  и качество футеровки. Основная цель этой стадии плавки заключается в  быстром формировании шлака с  необходимыми свойствами (основностью, жидкоподвижностью и т. д.). Сложность выполнения этой задачи связана с высокой скоростью процесса (длительность продувки 14 — 24 минуты).

Формирование шлака необходимой  основности и заданными свойствами зависит от скорости растворения извести в шлаке. На скорость растворения извести в шлаке влияют такие факторы, как состав шлака, его окисленность, условия смачивания шлаком поверхности извести, перемешивание ванны, температурный режим, состав чугуна и т. д. Раннему формированию основного шлака способствует наличие первичной реакционной зоны (поверхность соприкосновения струи кислорода с металлом) с температурой до 2500'. В этой зоне известь подвергается одновременному воздействию высокой температуры и шлака с повышенным содержанием оксидов железа. Количество вводимой на плавку извести определяется расчетом и зависит от состава чугуна и содержания SiO2 руде, боксите, извести и др. Общий расход извести составляет 5 — 8 % от массы плавки, расход боксита 0,5 — 2,0 %, плавикового штампа 0,15 — 1,0 %. Основность конечного шлака должна быть не менее 2,5.

Параметры шлакового режима — состав, вязкость, количество шлака  и скорость его формирования оказывают  сильное влияние на качество стали, выход годного металла, стойкость  футеровки и ряд других показателей  плавки. Основные источники шлакообразования — это загружаемая в конвертер  известь (СаО) и продукты окисления составляющих чугуна (SiO2, MnO, FeO, Fe2O3, P2O5). Это также оксиды растворяющейся футеровки (СаО, MgO); некоторое количество миксерного шлака (SiO2, СаО, MnO, MgO, FeO, Al2O3, S); оксиды железа из ржавчины стального лома и составляющие флюсов. Обычно флюсом служит плавиковый шпат, вносящий CaF2 и немного SiO2; иногда применяют боксит (Al2O3, SiO2, Fe2O3) железную руду или агломерат либо окатыши, вносящие оксиды железа и немного SiO2 и Al2О3; флюоритовые руды (CaF2); различные отходы производств. Шлаковый режим плавки. Продувку с целью обогащения шлака оксидами железа начинают при повышенном положении фурмы. После начала продувки в конвертер вводят первую порцию шлакообразующих — часть извести и плавиковый шпат и иногда вместо него агломерат, окатыши, железную руду, боксит и др. Остальную известь загружают одной или несколькими порциями в течение первой трети длительности продувки. Иногда с целью ускорения шлакообразования до 30—60 % извести вводят в конвертер на стальной лом перед заливкой чугуна, а остальную — по описанному выше режиму. Загрузку шлакообразующих одной порцией не делают, так как это вызывает охлаждение ванны, слипание кусков извести и замедление шлакообразования. Общий расход извести составляет 6—8 % от массы плавки; его определяют расчетом так, чтобы обеспечивалась требуемая основность шлака (CaO/SiO2 = 2,7—3,6). Расход плавикового шпата составляет 0,15—0,3 % и иногда более. Шлаковая фаза начинает формироваться с первых секунд продувки, вначале она состоит из продуктов окисления составляющих жидкого чугуна. В результате растворения извести содержание СаО в шлаке возрастает, а содержание SiO2, MnO и FeO снижается. Заметно уменьшается содержание FeO в период наиболее интенсивного окисления углерода (середина продувки), когда сильное развитие получает реакция окисления углерода за счет окислов железа шлака. В конце продувки, когда углерода в металле мало, начинает окисляться железо и содержание FeO в шлаках возрастает, причем тем значительнее, чем до более низкого содержания углерода в металле ведут продувку. Состав конечного шлака следующий: 43—52 % СаО; 14—22 % SiO2; 8-25% FeO; 2-6% Fe2O3; 3-12% MnO; 3-7% Al2О3; 1,5-4% MgO; 0,5-4,0% P2O5; менее 3 % CaF2; менее 1 % CaS. Соотношение между содержанием СаО и SiO2 определяется основностью шлака, которой задаются и которую регулируют, изменяя расход извести. Количество оксидов железа, как отмечалось, будет тем выше, чем ниже содержание углерода в металле в конце продувки. Содержание FeO в шлаке, %, можно определить по эмпирической формуле: FeO = 7,3 + 0,85/ /(С + 0,01), где С — содержание углерода в металле по окончании продувки. Содержание Fe2O3 в 3—4 раза ниже содержания FeO. Количество MnO в шлаке возрастает при увеличении содержания марганца в чугуне и окисленности шлака. Содержание MgO тем выше, чем сильнее изнашивается футеровка, составляющие которой переходят в шлак. Количество образующегося шлака равно 11—17 % от массы стали.

 

2. (115) Приведите технологию разливки кипящей стали и условия получения нормальной здоровой корочки слитка.

 

Кипящую сталь разливают  и сифоном, и сверху в уширяющиеся  книзу сквозные изложницы. В обоих  случаях для предотвращения заплесков металла на стенки изложницы и образования плен на нижней поверхности слитков нижнюю часть изложницы заполняют медленно. В дальнейшем скорость наполнения изложницы при разливке сверху определяется диаметром стакана сталеразливочного ковша, а при разливке сифоном — сечением каналов сифонного кирпича. При сифонной разливке перегретой стали и при чрезмерной ее окисленности могут происходить выплески металла из центровой. В этом случае в центровую для дополнительного раскисления вводят небольшие количества алюминия. При разливке кипящей стали важным фактором является скорость подъема металла в изложнице, определяющая толщину здоровой корки в слитке. Скорость разливки сверху без интенсификаторов кипения обычно составляет 0,5—1,0 м/мин и при скорости около 1,0 м/мин получают здоровую корочку минимально допустимой толщины (8—10 мм). Продолжительность отливки слитков массой 5—20 т при разливке сифоном составляет 5—12, при разливке сверху 2—4 мин.

Кипящая сталь раскислена одним марганцем, т.е. неполностью, и содержит некоторое количество растворенного кислорода. Поэтому во время разливки и после ее окончания сталь в изложнице "кипит", т.е. происходит окисление углерода по реакции [С] + [О] = СО с выделением пузырей СО. Окисление углерода и образование пузырей СО происходит на поверхности формирующихся при затвердевании стали кристаллов (на поверхности раздела твердой и жидкой фаз). Значительная часть пузырей СО, выделяющихся при кипении, остается в слитке. В дальнейшем они завариваются при прокатке. Для уменьшения неоднородности состава готовой стали кипение вскоре после наполнения изложницы прекращают, накрывая слиток кипящей стали массивной металлической крышкой (механическое закупоривание) или раскисляя металл в верхней части изложницы алюминием (химическое закупоривание). В слитках кипящей стали не образуется концентрированной усадочной раковины. Усадка здесь рассредоточена по многочисленным газовым полостям. Форма слитка кипящей стали отличается от формы слитка спокойной стали. Поскольку в слитке отсутствует усадочная раковина нет необходимости применять изложницы, расширяющиеся кверху. Кипящую сталь разливают в сквозные изложницы, расширяющиеся книзу. Это упрощает процесс раздевания слитков — изложницу просто тянут вверх, стягивая со слитка.

 

 

 

 

 

Рисунок 1. Строение, слитка кипящей стали: а — механически  закупоренного; б — химически закупоренного слитка кипящей стали; 1 — плотная наружная корочка; 2 — зона сотовых пузырей; 3 — промежуточная плотная зона; 4 — зона вторичных пузырей; 5 — скопление пузырей СО; 6 — скопление пузырей и усадочных пустот; 7 — мост плотного металла.

 

Механически закупоренный слиток кипящей стали.

 Механически закупоренный  слиток кипящей стали, так же  как и слиток спокойной стали,  имеет снаружи корку из мелких  равноосных кристаллов, далее зону столбчатых кристаллов и в середине крупные неориентированные кристаллы. Наряду с этим слиток характеризуется расположением газовых пузырей (пузырей СО) в определенном порядке. На продольном темплете слитка можно отметить следующие зоны (рис. 1, а): наружную корку 1 без пузырей; зону 2 продолговатых сотовых пузырей; промежуточную плотную зону 3; зону 4 вторичных округлых пузырей; плотную среднюю зону 5 со скоплением пузырей в ее верхней части. Наружная мелкокристаллическая корка толщиной в разных слитках от 2—8 до 25—40 мм получается плотной потому, что при ее затвердевании создаются благоприятные условия для всплывания пузырей СО из металла. В этот момент высота вышележащего слоя поднимающегося в изложнице металла и создаваемое им ферростатическое давление малы, поэтому при достаточной окисленности стали легко и в большом количестве образуются пузыри СО. Всплывание даже части из них создает поток, увлекающий те пузыри, которые застревают между осями растущих кристаллов; отрыву и всплыванию пузырей способствует то, что благодаря малым размерам кристаллов поверхность фронта кристаллизации является сравнительно гладкой. Таким образом формируется слой металла, не содержащий пузырей. Затем вместе с ростом столбчатых кристаллов образуется зона вытянутых сотовых пузырей. Начало их формирования (более раннее или позднее) зависит от интенсивности кипения и определяющих ее факторов — окисленности жидкой стали и скорости разливки. Чем меньше в металле растворенного кислорода и чем быстрее из-за высокой скорости разливки нарастает ферростатическое давление вышележащих слоев металла, тем хуже условия зарождения пузырей СО и тем меньше их образуется. При значительном уменьшении числа выделяющихся пузырей (уменьшении интенсивности кипения) не будет мощного потока всплывания СО, увлекающего все пузыри, и часть их будет оставаться в месте зарождения между кристаллами, причем тем раньше, чем меньше интенсивность кипения слитка кипящей стали; беспузыристая корка при этом будет все тоньше. Каждый из оставшихся пузырей по мере дальнейшего выделения СО увеличивается лишь в продольном направлении, поскольку росту в поперечном направлении препятствуют начинающие расти столбчатые кристаллы — идет быстрый рост (врастание в жидкий металл) их главных, параллельно расположенных осей. Поэтому пузыри приобретают вытянутую форму, их длина достигает 70-100 мм. Прекращение роста сотовых пузырей и образование зоны 3 плотного металла слитка кипящей стали объясняют следующим образом. После сформирования зоны сотовых пузырей, теплопроводность которой из-за большого количества газовых полостей очень мала, скорость теплоотвода сильно снижается и поэтому прекращается быстрый, опережающий рост главных осей столбчатых кристаллов, и фронт кристаллизации выравнивается. Поэтому образующиеся газы вымываются с более ровного фронта кристаллизации и формируется плотная промежуточная зона слитка кипящей стали, состоящая из неориентированных кристаллов небольших размеров. Появление цепочки вторичных округлых пузырей связано с накрыванием слитка крышкой. После опускания в изложницу крышки (замораживания его верха) кипение прекращается, поскольку пузырьки СО не могут образовываться, так как при выделении им приходилось бы преодолевать громадное давление внутри закупоренного слитка кипящей стали. Вследствие прекращения циркуляции формировавшиеся в момент закупоривания пузыри фиксируются на границе затвердевания, образуя цепочку вторичных пузырей, равноудаленных от стенок изложницы (если крышку накрывают рано, в период роста сотовых пузырей, то после закупоривания прекращается их рост; вторичные пузыри образуются рядом с сотовыми, а зона плотного металла между сотовыми и вторичными пузырями в слитке отсутствует). Затвердевание центральной части слитка идет без заметного газовыделения и циркуляции металла. Лишь в результате усадки кристаллизующейся стали давление внутри слитка кипящей стали немного снижается и создаются условия для образования отдельных пузырей. Скопление их в верхней части слитка обусловлено повышением содержания здесь кислорода и углерода, вследствие ликвации, а также всплыванием пузырей снизу. Это скопление пузырей образует головную рыхлость, которая в осевой части слитка может распространяться на глубину до 25 % его высоты. Следует отметить, что в верхней части слитка сотовых пузырей нет, так как они вымываются потоком газа, поднимающегося снизу. Высота зоны сотовых пузырей обычно равна 1/2—2/3 высоты слитка; она возрастает при повышении скорости наполнения изложницы, снижении интенсивности кипения и уменьшении окисленности металла. Верх слитка с пузырями и скоплением серы и фосфора вследствие их ликвации отрезают при прокатке; величина головной обрези составляет 5-9% от массы слитка для рядовой стали и достигает 10-13 % для качественной стали.

Химически закупоренный слиток кипящей стали.

 Химически закупоренный  слиток металла (рис. 1, б) имеет  в нижней части зону коротких  сотовых пузырей и в верхней  - скопление усадочных пустот  и пузырей, над которыми, как  правило, расположен мост плотного  металла. До начала закупоривания  и во время разливки сталь  в изложнице кипит, формируется  наружная беспузыристая корка и начинается рост сотовых пузырей так же, как в слитке при механическом закупоривании. Толщина здоровой корки такая же, как в механически закупоренном слитке и определяется уровнем окисленности стали и скоростью подъема металла в изложнице. Сразу же или через 1-1,5 мин после окончания наполнения изложницы проводят закупоривание слитка кипящей стали алюминием (иногда ферросилицием). Вводимый алюминий связывает растворенный в стали кислород, поэтому прекращается кипение и рост сотовых пузырей. Сотовые пузыри в слитке получаются недоразвитыми (см. рис.1, б), их длина тем меньше, чем раньше был введен алюминий. Расход алюминия на закупоривание выбирают таким, чтобы при дальнейшем затвердевании наблюдалось незначительное газовыделение, которое должно компенсировать усадку стали и предотвращать образование концентрированной усадочной раковины. Пузыри СО образуются в верхней части слитка, поскольку здесь вследствие ликвации повышается концентрация кислорода и углерода. Глубина сужающейся книзу зоны скопления пузырей и усадочных пустот (см. рис.1, б) может достигать 30—45 % высоты слитка кипящей стали. При оптимальной раскисленности (оптимальном расходе алюминия на закупоривание) над областью усадочной рыхлости образуется "мост" плотного металла толщиной около 10 % высоты слитка. Он изолирует пустоты от атмосферы, благодаря чему последние завариваются при прокатке. Головная обрезь слитка при этом составляет 3,5—6 %. Показателем оптимальной степени раскисленности является образование выпуклой гладкой поверхности слитка кипящей стали. При недостаточной раскисленности металла наблюдаются прорывы поверхности слитка пузырями СО. Сплошность верхнего "моста" плотного металла нарушается и возрастает величина головной обрези, так как часть полостей в головной части слитка не заваривается при прокатке из-за окисления их внутренней поверхности. Если металл перераскислен, то образуется недостаточно изолированная сверху глубокая усадочная раковина со скоплением ликватов и неметаллических включений. Головная обрезь при этом сильно возрастает, так как в прокате образуются несплошности в местах скопления ликватов и включений, а также в результате окисления внутренней поверхности раковины. Толщина здоровой корки — важный критерий качества слитков кипящей стали. Эта толщина может достигать 40 мм и не должна быть менее 8 мм. Более тонкой корка может окисляться при нагреве слитков перед прокаткой. Сотовые пузыри при этом обнажаются, их поверхность окисляется и поэтому они не завариваются при прокатке. В результате на поверхности проката образуются рванины. Здоровая корка формируется во время наполнения изложницы металлом и ее толщина определяется интенсивностью кипения стали в этот период. Как было показано ранее, интенсивность кипения и толщина здоровой корки будут тем больше, чем выше окисленность жидкой стали и чем ниже скорость наполнения изложницы металлом. Толщина здоровой корки зависит и от состава стали. Поскольку, как известно, углерод и марганец снижают количество растворенного в стали кислорода (ее окисленность), получение достаточно толстой здоровой корки в сталях с повышенным содержанием этих элементов затруднено. Поэтому кипящие стали обычно содержат не более 0,27% С и 0,60% Mn. Как показал опыт, окисленность жидкой стали, получаемая при существующих методах выплавки, позволяет разливать кипящую сталь со скоростью, не более 1,0 м/мин; при большей скорости наполнения изложницы толщина здоровой корки получается менее допустимой (меньше 8—10мм). Если необходимо разливать сталь с большей скоростью, то прибегают к использованию так называемых интенсификаторов кипения. В изложницу во время разливки вводят порошкообразные смеси, содержащие оксиды железа. Поступающий из интенсификатора в сталь кислород обеспечивает повышение интенсивности кипения и позволяет получать слиток с достаточной толщиной здоровой корки: при скоростях разливки до 2,0—2,5 м/мин. В последние годы начинают применять следующий метод решения "проблемы здоровой корки" — сочетание скоростной разливки с химическим закупориванием. Разливку ведут со скоростью 3—5 м/мин; при этом образование пузырей начинается у поверхности слитка, т.е. здоровая корка не образуется. Благодаря раннему химическому закупориванию размеры пузырей малы и при нагреве под прокатку наружный слой слитка с пузырями окисляется, вследствие чего на поверхности проката рванин не образуется.

 

 

3. (121) Приведите методы утепления главной части слитка и охарактеризуйте их эффективность.

 

Для разливки стальных слитков  в большинстве случаев применяют  сквозные чугунные расширяющиеся кверху изложницы. Внутренняя форма изложницы  определяется требуемыми размерами  и геометрической формой слитка. Сечение  таких изложниц чаще всего шестигранное и восьмигранное, но может быть также  двенадцати и шестнадцатигранное. Стенки изложниц, как правило, выпуклые во внутреннюю ее часть, а сопряжения между гранями имеют закругления. Общий вид изложницы для крупного кузнечного слитка приведен на рис.1.

 

 

Рисунок 1. - Фотография изложницы для отливки крупного кузнечного слитка массой 200т

 

Для изложниц с внешней  прибыльной подставкой или с регулированием массы слитка с помощью плавающей  прибыли используют сквозные поддоны  с углублением, образующим кюмпельную часть слитка. Для защиты поддонов от размывания струей металла при разливке применяют вкладыши, которые изготавливают из листов железа.

В последнее время для  разливки крупных слитков все  чаще применяется сифонная разливка. В этом случае поддоны изложниц выполняются  без углубления, но с отверстиями  для сифонного кирпича. Изложницы  под слитки массой до 30 т устанавливают  на двух или четырехместных поддонах, для более крупных слитков  применяют индивидуальные поддоны.

 

К числу особенностей эксплуатации изложниц следует отнестидостаточно жесткий режим повторяющегося термического удара при заливке металла и последующего прогрева стенки изложниц до температур порядка 800-1000оС в ходе каждого цикла эксплуатации. При этом дополнительно следует учитывать, что стенка изложницы прогревается неравномерно как по сечению, так и по высоте. С другой стороны, режимы эксплуатации изложниц могут значительно изменяться в каждом конкретном плавильном цехе, а также сильно зависеть от реально сложившейся производственной ситуации. В целом же удельный расход изложниц, например, на тонну стали составляет в среднем 25-45 кг (а во многих случаях и значительно выше).

Для захвата изложниц при  работе и транспортировке на их теле имеются различные приспособления. Мелкие и средние сквозные изложницы  чаще всего изготовляют с ушками или специальными приливами, а крупные  изложницы отливают со специальными приливами (ушами) или литыми цапфами.

Практика сталелитейного производства показывает, что для  подавляющего количества изложниц успешно  используется различного рода чугун. Выплавка чугуна для изложниц крупных слитков  обычно осуществляется непосредственно  в условиях конкретного сталеплавильного цеха. Между тем, в настоящее время  нет единого мнения о том, какие  марки чугуна целесообразно использовать в том или ином случае. Наиболее сложным является вопрос о регламентации  формы графита в изложнице, поскольку  этот параметр обеспечивает вариабельность свойств чугуна в весьма широких  пределах. Поэтому при выборе материала  изложницы во внимание принимается  характер дефектов (трещин), возникающих  в стенках изложниц в процессе эксплуатации в совокупности с показателем  стойкости изложницы по превалирующим  дефектам.