Процессы внепечной обработки стали
Особенности процессов внепечной обработки стали
Первоначально все процессы по доводке стали до нужного химического состава (операции легирования, раскисления, рафинирования, модифицирования) и температуры выполняли непосредственно в сталеплавильном агрегате. Это приводило к увеличению времени плавки (соответственно снижению производительности агрегата) и большому угару легирующих элементов (которые могут быть очень дорогими). Постепенно вышеуказанные операции стали переносить в сталеразливочный ковш и специальные агрегаты.
Данные процессы получили название внепечной обработки стали или ковшевой металлургии.
Внепечная обработка используется для сталей, полученных как с помощью кислородного конвертера, так и с помощью электросталеплавильной печи.
Внепечная обработка стали позволяет:
- увеличить производительность основного сталеплавильного агрегата за счет выноса операций раскисления, рафинирования и легирования в агрегат внепечной обработки;
- повысить качество металла за счет удаления вредных газовых примесей и неметаллических включений;
- повысить эффективность процессов раскисления и десульфурации;
- обеспечить более точное соблюдение химического состава металла;
- получать металл с принципиально новыми свойствами;
- обеспечить необходимую температуру металла перед разливкой;
- уменьшить угар дорогих легирующих элементов.
К внепечной обработке относят следующие операции:
- продувка металла инертным газом (аргон или азот);
- вакуумирование стали;
- обработка стали синтетическими шлаками;
- раскисление, легирование, модифицирование.
Может производиться один вид обработки (простая) или несколько (комбинированная). При этом комбинированная обработка в зависимости от сложности и имеющегося оборудования может производиться как в одном агрегате одновременно так и в нескольких агрегатах последовательно.
Рассмотрим различные способы внепечной обработки стали в отдельности.
Продувка стали инертным газом в ковше
Продувка стали инертным газом – одна из самых простых и одновременно эффективных и распространённых операций внепечной обработки.
Продувка осуществляется непосредственно в сталеразливочном ковше как отдельная операция или как сопутствующая операция в вакууматоре или в установке «ковш-печь».
В качестве инертного газа применяется аргон, иногда азот.
Эффект от продувки металла инертным газом состоит в том, что пузырьки инертного засасывают внутрь вредные газовые примеси (водород, кислород, азот) и выносят их на поверхность металла и попадают в атмосферу. Также к поверхности этих пузырьков прилипают неметаллические включения, которые тоже выносятся на поверхность металла и попадают в шлак. Еще одним положительным эффектом от продувки инертными газами является перемешивание металла и усреднение его химического состава.
Однако, поскольку продувка стали инертным газом приводит к снижению температуры металла, его необходимо нагревать до более высокой температуры, что приводит к необходимости перегревать металл в основном сталеплавильном агрегате или подогревать в печи ковш. Однако повышение качества металла компенсирует увеличение расхода энергоресурсов.
Продувку стали инертным газом можно осуществлять через погружную фурму, через пористые блоки в днище ковша или шиберный затвор. Расход инертного газа составляет 0,5…3,0 м3/т.
Обработка синтетическими шлаками
Обработка жидкими синтетическими шлаками производится для дополнительной очистки металла от вредных примесей – S, P, O2, и т.д., особенно в случае короткого времени плавки в сталеплавильной печи, когда шлак, наведенный в нем, не успевает выполнить свои функции по очистке стали от вредных примесей.
Вначале синтетический шлак засыпают в отдельную печь расплавляют и сливают в ковш. Сама обработка ведется одновременно с выпуском металла из сталеплавильной печи путем подачи синтетического шлака на струю металла. Возможна и предварительная заливка жидкого синтетического шлака в сталеразливочный ковш перед выпуском стали.
Применяются следующие виды шлаков:
- известково-глиноземистый используется для удаления серы и раскисления;
- известково-железистый используется для удаления фосфора;
- кислый используется для удаления неметаллических включений и раскисления.
Расход синтетического шлака составляет 3…6 % от массы металла.
Агрегат «ковш-печь»
Применение агрегата «ковш-печь» является самым универсальным способом внепечной обработки стали. Данный агрегат может выполнять одновременно несколько видов внепечной обработки и поддерживать температуру металла на нужном значении.
В состав агрегата входят:
- крышка с установленными в держателях тремя графитовыми электродами (принцип действия как у ДСП);
- фурма для продувки инертными газами;
- устройства для подачи сыпучих материалов (шлакообразующие, легирующие, раскислители, углесодержащие материалы);
- трайб-аппараты для подачи проволоки из легирующих материалов или раскислителя.
В процессе обработки сталеразливочный ковш устанавливается на специальную тележку, которая заезжает под крышку с электродами. Далее включается ток и производятся необходимые процессы по обработке металла: добавка раскислителей, легирующих элементов, углеродосодержащих материалов, наводка шлака необходимого состава, продувка инертным газом.
Таким образом комплексная внепечная обработка в агрегате «ковш-печь» позволяет:
- произвести легирование, раскисление и модифицирование металла не в основном сталеплавильном агрегате, что снижает угар этих материалов;
- очистить металл от неметаллических включений и газовых примесей за счет продувки инертным газом;
- получить сталь требуемого химического состава за счет наличия установки экспресс-анализа и точного дозирования легирующих материалов в виде проволоки;
- обеспечить необходимую температуру металла для последующей разливки или дополнительной обработки (вакуумирования).
Одним из энергосберегающих способов при обработке стали на печи ковш является подача аргона через полые электроды. Данная технология позволяет сократить расход электроэнергии и угар электродов.
Обработка стали вакуумом
Вакуумирование металла осуществляют в сталеразливочном ковше с использованием специальных агрегатов – вакууматоров различного типа. Такая операция является обязательной для получения высококачественных и низкоуглеродистых сталей.
Эффект от применения данного вида внепечной обработки получается за счет создания вакуума над поверхностью металла. В этом случае из-за разницы парциального давления происходит выделение пузырьков растворенных в нем газов - водорода, азота и монооксида углерода. Также к поверхности этих пузырьков прилипают неметаллические включения, которые выводятся на поверхность и переходят в шлак.
Кроме того, растворенный в металле кислород взаимодействует с углеродом, поэтому этот процесс используют и для получения безуглеродистых коррозионностойких сталей. Также в вакууматоре возможна добавка раскислителей и легирующих элементов.
Различают две разновидности процесса (рис. 1):
- VD (Vacuum Degassing) – обработка вакуумом;
- VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) – обезуглероживание за счет обработки вакуумом, при котором для удаления углерода из металла используют и продувку кислородом.
Рис. 1. Схема установки «печь-ковш»: 1 - ковш; 2 - крышка-свод; 3 - трайб-аппарат для подачи проволоки; 4- электроды; 5 - фурма для вдувания порошка силикокальция в струе аргона; 6 - устройство для подачи сыпучих ферросплавов и флюсов; 7 - пористая пробка для подачи аргона
Однако в последнее время все большее распространение получают комбинированные агрегаты, сочетающие в себе обе разновидности.
Обработку вакуумом часто сочетают с продувкой инертным газом, причем она может выполняться как в одном агрегате так и в двух отдельных.
Существует несколько конструкций вакууматоров:
- камерного типа, в которые ковш помещается полностью – они обеспечивают наибольшую эффективность обработки, однако занимают больше места и стоят дороже. Существуют также двухкамерные вакууматоры которые позволяют повысить производительность оборудования и иметь один комплект оборудования для создания вакуума на два корпуса;
- струйного типа, когда металла подвергается вакуумированию при выпуске из печи или разливке – они наиболее просты и дешевы, однако эффективность их самая низкая;
- циркуляционного типа когда металл постоянно циркулирует через вакуумную камеру;
- порционного типа, когда металл порциями закачивается в вакуумную камеру, где происходит его обработка, а затем выпускается обратно в ковш.
