Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

7.2.3. Мегоды легирования кислородно-конвертерной стали

Сталь раскисляют и легируют марганцем, кремнием, алюмини­ем, титаном и хромом в ковше, легируют медью и никелем в кон­вертере. Куски ферросплавов имеют размеры не более 100 мм. Для всех марок стали присадку раскислителей и легирующих начинают при наполнении ковша металлом на 1/5 и заканчивают до подъема уровня на 3/4 его высоты. Кипящую сталь раскисляют ферромар­ганцем с содержанием кремния не более 1,5 %.

Низко — и средиелегироваиные стали раскисляют и легируют, со­блюдая следующий порядок присадок: термоантрацит (в случаях необходимости науглероживания металла), ферромарганец, сили — комарганец, ферросилиций, алюминий, феррованадий, ферронио — бий, ферротитан, азотированный ферромарганец, силикокальций. При выплавке всех марок стали всегда применяются первые четыре из перечисленных выше раскислителей, остальные—по мере на­добности. При раскислении и легировании хромистой стали (20Х, 40Х, 10ХСНД, 15ХСНД и др.) сначала присаживается ферросили­ций, затем феррохром с алюминием и в последнюю очередь ферро­марганец или силикомарганец.

В современных конвертерных процессах раскислители и леги­рующие вводят только в ковш. Раньше ферромарганец и ферро­хром присаживали в конвертер, что удлиняло цикл плавки и увеличивало угар Mn и Cr.

При добавлении значительных количеств твердых раскислите­лей и легирующих (более 1,5—2 % от массы стали) в последние годы используют экзотермические ферросплавы, которые присажи­вают в ковш в виде брикетов, содержащих порошкообразный фер­росплав и экзотермическую составляющую (смесь селитры с порош­ком алюминия, FeSi или SiCr.). Тепло экзотермических реакций окисления Al и Si кислородом селитры расходуется на нагрев и плавление ферросплавов.

Наиболее перспективно применение жидких лигатур, содержа­щих в требуемом соотношении все необходимые для данной легиро­ванной стали раскисляющие и легирующие элементы. В конвертер­ном цехе Челябинского металлургического завода (ЧМЗ) жидкую лигатуру получали, расплавляя в индукционной печи силикомар­ганец, ферромарганец, феррохром. Лигатуру, нагретую до 1560— 1580°С, заливали на струю металла в процессе выпуска плавки в ковш. При таком методе смешения удовлетворительно распределя­ются основные элементы в объеме жидкого металла, снижается их угар (по сравнению с вводом твердых сплавов в сталеплавильный агрегат).

В отдельных плавках использовали жидкую лигатуру, на по­верхность которой в промежуточный ковш заливали расплавлен­ный синтетический шлак, нагретый до 1700—1720°С в специаль­ной дуговой печи с графитовой футеровкой. Шлак предохранял ли­гатуру от застывания в ковшах, гарантировал ее полное усвоение и дополнительно рафинировал металл. Однако применение синте­тического шлака значительно удорожало себестоимость стали (ес­ли не было необходимости в ее дополнительном рафинировании). В дальнейшем установили, что без защиты лигатуры синтетичес­ким шлаком тоже достигаются нормальная разливка стали и за­данный ее химический состав.

9*

259

К новым перспективным ферросплавам относятся комплексные легкоплавкие сплавы. Они характеризуются относительно низкой температурой плавления (1180—13200C) и высокой плотностью, приближающейся к плотности жидкой стали (6,6—6,8 г/см3). Леги­рование на ЧМЗ конвертерной хромистой стали в ковше легкоплав-

КИМ комплексным сплавом ФХМ и С (4—4,3 % С; 37—38,5 % Cr; 16,5—17 % Mn; 10—12 % Si) обеспечило равномерное распределе­ние легирующих элементов в объеме металла. Легкоплавкие лигатуры могут заменить жидкие лишь при расходе, не превышаю­щем 2 % от массы стали. Низкая температура плавления легирую­щих добавок способствует быстрому их растворению и равномер­ному распределению в объеме металла, однако охлаждение ванны при этом не устраняется. Исключением являются высококремнис­тые сплавы (растворение Si протекает с большим выделением тепла).

Применение экзотермических, жидких и легкоплавких ферро­сплавов расширяет сортамент легированных сталей, выплавляе­мых в кислородных конвертерах.

Динамную или трансформаторную сталь получают следующим образом. Чугун продувают до низкого содержания углерода (<0,04 %), марганца (<0,10 %) и металл охлаждают не скрапом, а рудой или металлизованными окатышами. Температура металла tM должна быть значительно ниже, чем для других низкоуглеродис­тых сталей, так как даже при вводе в ковш твердого ферросилиция выделяющееся тепло растворения кремния со значительным избыт­ком перекрывает тепло, затраченное на расплавление ферроспла­ва. Так, при вводе в металл 2 % Si и использовании для этой цели 60 %-ного FeSi (3,3 %) температура металла повысится примерно на 40 К.

Перед выпуском стали на дно ковша загружают FeSi и покры­вают его жидким синтетическим шлаком. Если конвертерный шлак хорошо отделен от металла, то синтетический шлак обеспечивает почти полное усвоение кремния и значительное дополнительное снижение [S] и [О].

Иногда для более полного отделения конвертерного шлака от стали ее переливают из ковша в другой ковш, где и легируют. По­верхность металла во втором ковше теплоизолируют вермикулитом.

Возможна и другая технология: нераскисленный металл вакуу — мируют в ковше (в этом случае останавливают продувку при [С] = = 0,04—0,07 %). В сочетании с продувкой аргоном это позволяет снизить [С] до 0,03 % и ниже. Далее присаживают в ковш FeSi, продолжая продувку аргоном для выравнивания [Si] в объеме ме­талла.

В промышленных масштабах выплавка нержавеющей стали в конвертерах начата в 60-х гг. в ряде западноевропейских стран, Японии и США, а в полупромышленном конвертере — в СССР.

При производстве нержавеющей стали очень сложно получить низкое [С] (до 0,02—0,03 %), сохраняя высокое содержание хро­ма в металле (12—20 %) и обеспечивая минимальный его угар. Не менее трудно расплавить большое количество феррохрома по ходу продувки и достичь сверхвысоких температур металла (поряд­ка 1900 °С) в ее конце. Последнее необходимо для сохранения боль­шого [Cr] при незначительном [С].

Равновесное отношение [Сг]/[С] можно вычислить на основе термодинамических характеристик реакции

[С] + (CrO) = {СО} — f [Cr]; Kcr-c =* fСг]/1СпРсо.’fCJ/,cia(crO) • (7.2′ При окислительных условиях плавки в электродуговой печи

IgKa-C———— is^ + 9,65; Igig — = Igiccr-c^ftcr0′, (7.3)

1 I1-IJ [cr] Pco

Где f[cj и f\Cr] — коэффициенты активности.

Расчеты по уравнению (7.3) свидетельствуют о том, что при f[C] = f]Cr]»l, 7 = 2100 К, [С] =0,05%, Pco=IO5 Па и насыщении шлака окислами хрома можно обеспечить [Cr] «8 %. Для увели­чения [Cr] необходимо либо повысить температуру, либо снизить рсо (обработка металла вакуумом или аргоном).

При производстве нержавеющей стали в кислородных конвер­терах применяются следующие методы плавки и внепечной доводки.

1. Продувка передельного чугуна, раскисление и основное леги­рование низкоуглеродистого металла хромом в конвертере, окон­чательное легирование и раскисление в ковше. Температура метал­ла в конце продувки 4х~1900°С. Металл в конвертере лучше легировать жидким низкоуглеродистым феррохромом. Для интен­сификации перемешивания металла и шлака (после окисления угле­рода, раскисления шлака и металла силикохромом и ввода ферро­хрома) наиболее подходит конвертер ЛД-Кал-До с наклонным вращением при максимально возможной скорости.

2. Продувка хромсодержащего чугуна в кислородном конвер­тере. Эта технология получила название Крусибл процесс (по на­званию фирмы в США). Чугун, содержащий 15 % Cr, 5 % Си 2,5 % Si, выплавляют в доменной печи, в шихту которой кроме же­лезной руды входит и хромовая.

Преимуществом Крусибл процесса является значительная эко­номия тепла в конвертере (при отсутствии присадок твердого фер­рохрома), что облегчает получение высокой tM в конце продувки. Чугун продувают в конвертере до критического [С] (0,06—0,08 %), исключающего чрезмерный угар хрома. После продувки (при [Сг] = 10—14%) вводят раскислители и силикохром (в готовой стали [Cr] = 17—20 %, [Ni] =8—10 %).

261

3. Продувка хромистого чугуна, легирование в конвертере, кис­лородное обезуглероживание в ковше в условиях вакуума. Техно­логия получила название Виттен процесс (по названию фирмы в ФРГ). Чугун с 6 % С; 1 % Si; 10 % Cr; 9 % Ni и 0,4 % Mn залива­ют в конвертер на оставшийся шлак предыдущей плавки и проду­вают кислородом в течение 10 мин. Затем шлак скачивают, вводят дополнительно хром, никель, известь и снова ведут продувку до получения по виду пламени 0,13—0,15 % С и ^m= 1850 °С. Сочета­ние 15-минутной вакуумной обработки с продувкой кислородом в ковше (иногда присаживают железную руду) гарантирует полу­чение [С] =0,02 % и ниже.

1/2+9 193

4. Дуплекс-процесс Злектродуговая печь — конвертер АОД. В отличие от Виттен процесса, где низкое [С] и необходимое для этого снижение рсо обеспечиваются разрежением в вакуум-камере, по ходу дуплекс-процесса АОД рсо уменьшается в самом конверте­ре путем продувки аргонокислородной смесью. В дуговой печи только плавят шихту (18—20 % Cr, 1 % С, Ni, Mo), а обезуглеро­живают, раскисляют и обессеривают металл в кислородном кон­вертере, где осуществляют боковую, донную или комбинированную (через днище и верхние фурмы) продувку металла кислородом и газом-разбавителем (аргон, азот, водяной пар или их смеси). Этот процесс получил наибольшее распространение.

5. В 1973 г. был внедрен новый метод газокислородного рафи­нирования нержавеющей стали — К. ЛУ процесс (по начальным бук­вам названия французской фирмы «Крезо-Луар» и шведской «Уд — дехольм»). Сущность его заключается в использовании водяного пара, являющегося одновременно газом-разбавителем, рафинирую­щим агентом и охладителем.

В начальной стадии процесса рафинирования через фурмы в днище конвертера вдувают кислород и малое количество пара до момента достижения [С] =0,8—0,9%. Далее увеличивают кон­центрацию пара в газовой смеси, окисляют углерод (до 0,02— 0,03 % С), восстанавливают хром и марганец добавкой извести и ферросилиция. В заключительной стадии процесса удаляют из ме­талла водород, поглощенный в результате диссоциации пара, про­дувая ванну инертным газом в количестве 1—2 м3/т.

Основные преимущества К. ЛУ процесса следующие: низкая температура рафинирования, малая стоимость газа-разбавителя (водяной пар, аммиак), хорошее усвоение хрома и марганца (по­зволяет успешно выплавлять нержавеющую сталь с [Cr] более 25 %, а также высокомарганцовистые стали на никелевой основе), пониженный расход чистого кислорода (участие в рафинировании кислорода пара).

Затраты на производство нержавеющей стали АОД и КЛУ про­цессами на 20—30 % ниже, чем при обычной электропечной тех­нологии. Подобные процессы с некоторыми усовершенствованиями развиваются в настоящее время в СССР.