Диффузионное раскисление металла. Раскисление шлаком

Диффузионное раскисление металла. Раскисление шлаком

В практике сталеплавильного производства применение получило и  раскисление шлаком. Основано оно на законе распределения, согласно которому применительно к рассматриваемому случаю в условиях равновесия при данной температуре отношение активностей кислорода (окиси железа) в шлаке и металле — величина постоянная:

aFeO/aO = L

При плавке стали  в дуговых печах равновесие не достигается, но переход кислорода  осуществляется лишь в направлении  равновесного распределения.

Если содержание окиси железа в шлаке высоко, то он является по отношению к металлу  окислительным, и происходит переход  кислорода из шлака в металл. Если же содержание FeO в шлаке низко, то она является по отношению к металлу восстановительной, и кислород удаляется из металла в шлак, т. е. происходит раскисление. Так как такое раскисление осуществляется путем диффузии, оно получило название диффузионного раскисления.

Для диффузионного  раскисления необходимо получить низкое содержание FeO в шлаке (менее 1%). Это достигается присадками в шлак раскислителей (С, Si), восстанавливающих окись железа.

Следует, однако, иметь  в виду, что при диффузионном раскислении в печи наряду с диффузией кислорода из металла в шлак происходит диффузия раскислителей в обратном направлении. В результате этого в металле повышается содержание углерода и кремния и образуются продукты раскисления последним из них.

Диффузия, элементов  удаляющих кислород, в металл имеет  решающее значение при выплавке высокоуглеродистых сталей (например ШХ15), когда активность кислорода в металле не больше, чем в шлаке (при 0,3— 0,6% FeO), и он из металла не диффундирует. При выплавке малоуглеродистой стали вследствие высокой активности в ней кислорода он диффундирует в восстановительный шлак.

Крупный недостаток диффузионного раскисления заключается в большой продолжительности процесса вследствие медленной диффузии. Продолжительность диффузионного раскисления превышает 1,5—2 ч, понижая производительность дуговых печей.

Положительная сторона  диффузионного раскисления заключается в том, что во время его проведения раскислители в металл не присаживают и продукты раскисления образуются в небольшом количестве лишь вследствие диффузии их из шлака (обычно Si) и преимущественно в верхних слоях металлической ванны. Но при диффузионном удалении кислорода не удается достаточно полно удалить кислород из стали, и в конце плавки приходится дополнительно применять глубинное раскисление ферросилициемм и алюминием.

Исследования ряда советских ученых показали, что при  глубинном раскислении в начале восстановительного периода получается сталь, не уступающая по степени очистки от окисных включений металлу, полученному при диффузионном раскислении. Восстановительный же шлак необходим для предупреждения вторичного окисления и для лучшей десульфурации. Такой метод раскисления получил широкое применение при выплавке конструкционной стали в дуговых печах. 

Основной недостаток диффузионного раскисления в печи — очень медленное протекание процесса — может быть устранен при обработке стали синтетическим шлаком в ковше. Такая обработка была рассмотрена при изучении процесса внепечной десульфурации. Следует лишь добавить, что при использовании упомянутого известково-глиноземистого шлака, содержащего не более 0,5% FeO, также происходит диффузионное раскисление металла. Но вследствие образования огромной поверхности контакта металла со шлаком это раскисление протекает очень быстро и завершается за время опускания капель стали через шлак. Содержание кислорода при этом понижается до 0,003—0,009%.

Для более глубокого  раскисления сталь во время обработки шлаком дополнительно раскисляют ферросилицием, а после обработки алюминием, присаживаемыми в металл в небольших количествах. Вследствие высокого содержания Al2O3 в шлаке и низкого содержания FeO алюминий мало окисляется, а иногда даже немного восстанавливается. Поэтому усвоение присаживаемого в металл алюминия достигает 100% и более.

Обработка стали  в ковше восстановительным известково-глиноземистым  шлаком, обеспечивающая раскисление и десульфурацию стали, позволяет существенно сократить восстановительный период плавки или по существу отказаться от него.

Кислый  процесс в дуговых печах

Кислый процесс  в дуговых печах - футеровка кислых дуговых печей состоит почти  из чистого кремнезема и, как отмечалось, шлаки кислого процесса обычно насыщены SiO2. Высокая вязкость кислых шлаков замедляет диффузионные процессы в ванне, и поэтому в кислой печи реакции между сталью и шлаком протекают с меньшей скоростью, чем в основных.

Высокое содержание в шлаке окиси кремния исключает  возможность перехода из металла  в шлак фосфора и серы, поэтому  в печах с кислой футеровкой отсутствуют  условия для проведения важнейших  металлургических процессов — дефосфорации и десульфурации стали. Кроме того, в печах с кислой футеровкой возможно восстановление кремния из футеровки углеродом, марганцем и более активными к кислороду элементами, что ограничивает при проведении кислого процесса возможности легирования металла.

Это служит причиной того, что в дуговых печах с  кислой футеровкой выплавляют ограниченный сортамент стали, включающий лишь простые  среднеуглеродистые (0,25—0,40% С), а также  хромоникелевые, хромомолибденовые  и некоторые другие среднеуглеродистые легированные стали. Выплавка в них  сложнолегированных сталей и сплавов, содержащих марганец, титан, алюминий, цирконий и др., практически невозможна.

В то же время в  отношении тепловой работы печи кислая футеровка предпочтительнее. По сравнению  с основными, кислые шлаки обладают более высоким омическим сопротивлением, что позволяет нагревать жидкую сталь более короткой дугой на высокой ступени напряжения печного  трансформатора. Это улучшает передачу тепла металлу и увеличивает  электрический к.п.д. установки, так  как электрические потери в цепи определяются главным образом силой  тока.

Доля жидкого периода  плавки (суммарная продолжительность  окислительного и восстановительного периодов) в кислых печах намного  меньше, чем в основных, так как  при проведении кислой плавки не выполняют  рафинирования от фосфора и серы и вводят меньшее количество легирующих присадок. Большой удельный вес по времени периода плавления позволяет полнее использовать мощность трансформатора, ввиду чего кислые печи целесообразно оборудовать трансформаторами более высокой удельной мощности, чем в случае основных печей. Это позволяет быстрее расплавлять металл и сокращает длительность плавки в целом.

В связи с отсутствием  условий для дефосфорации и десульфурации металла геометрия ванны кислых печей может отличаться от геометрии ванны основных печей. Для дуговых печей с кислой футеровкой удельная поверхность зеркала металла не имеет особого значения, поэтому форму ванны целесообразно выбирать, исходя из минимума тепловых потерь, что достигается при более глубокой ванне. Уменьшению тепловых потерь через кладку и более быстрому нагреву металла способствует также более низкая теплопроводность кислых огнеупоров. Из-за отсутствия длительных периодов рафинирования металла от фосфора и серы это обеспечивает более высокий тепловой к.п.д. дуговой печи, значительное сокращение длительности плавки, уменьшение расхода электроэнергии и электродов.

Меньшая продолжительность  плавки и более высокая термостойкость кислых огнеупоров обусловливают более  высокую стойкость футеровки  в кислых печах: она в несколько  раз выше, чем у основной печи. И так как стоимость песка  и динасового кирпича намного меньше стоимости магнезитовых огнеупоров, то удельные затраты на футеровку кислых печей в 2,5—3,0 раза ниже, чем основных.

Высокая термостойкость кислой футеровки допускает, кроме  того, периодический характер работы с многократными разогревами  и охлаждениями печи. Основные огнеупоры  при таких условиях растрескиваются, а пропитанные известковым шлаком слои основной футеровки при охлаждении рассыпаются в порошок.Из сопоставления преимуществ и недостатков кислых дуговых печей следует, что кислые дуговые печи лучше основных приспособлены для плавления и нагрева металла и значительно уступают им по возможностям получения качественной стали из обычной шихты. В шихту кислых печей, кроме оборотного скрапа, необходимо вводить специально выплавляемую в основных печах шихтовую заготовку или лом с низким содержанием фосфора и серы. Дефицит и высокая стоимость таких шихтовых материалов ограничивают использование печей с кислой футеровкой.Емкость кислых печей, как правило, составляет до 10 т, и их применяют в литейных цехах при плавке стали и чугуна для фасонных отливок. К металлу для этих отливок обычно предъявляют менее жесткие требования по содержанию фосфора и серы: содержание фосфора и серы в стали, предназначенной для литья, обычно допускается до 0,05% каждого из этих компонентов. В литейных цехах особое значение приобретают жидкотекучесть металла, возможность печи быстро расплавлять и нагревать металл, выдавать металл малыми порциями, приспособленность его к периодической работе. С этой точки зрения дуговые печи с кислой футеровкой более удобны, чем основные.Использование кислых дуговых сталеплавильных печей при выплавке стали для отливок имеет и экономические преимущества, поскольку для футеровки этих печей используют менее дефицитные и более дешевые огнеупорные материалы, меньше расходуют шлакообразующих, электроэнергии, электродов. Даже высокая вязкость кислых шлаков в литейном производстве приобретает положительное значение, так как при таком шлаке удобнее заполнять формы из малых ковшей/Однако затруднения с обеспечением фасоннолитейных цехов ломом с низким содержанием фосфора и серы приводят к тому, что на некоторых заводах у части печей даже в литейных цехах футеровка выполнена из основного материала, поскольку это дает возможность использовать оборотный скрап из основных печей в шихте для печей с кислой футеровкой.