Внепечная обработка стали

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИИ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

 

КАРАГАНДИНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

КАФЕДРА «МиМ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

 

 

 

Тема:    ВНЕПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ

 

 

 

 

 

 

Проверил:  проф. Романов В.И.

Выполнил:  ст. гр. М-11к/о

Мухаметхан Е. 

 

 

 

 

Темиртау, 2013

 

ВВЕДЕНИЕ

 

 

Современная техника предъявляет  все более высокие требования к качеству стали. В тех случаях,когда  проведение операций, обеспечивающих требуемое качество металла, непосредственно  в самом агрегате связано с  потерей его производительности и недостаточно эффективно, операции переносят в ковш или во вспомогоательную емкость. Проведение технологических операций вне плавильного агрегата называют вторичной металлургией (ковшевой металлургией, внеагрегатной обработкой, внепечной обработкой, ковшевым рафинированием). Основную цель вторичной металлургии можно сформулировать как осуществление ряда технологических операций быстрее и эффективнее по сравнению с решением аналогичных задач в обычных сталеплавильных агрегатах.

В настоящее  время методами внепечной металлургии  обрабатывают сотни миллионов тонн стали массового назначения, установки  для внепечной обработки имеются  на всех заводах качественной металлургии. Обработке подвергают металл, выплавленный в мартеновских печах, дуговых электропечах и конвертерах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ОБЩИЕ  УСЛОВИЯ

 

Методы внепечной  обработки могут быть условно  разделены на простые (обработка  металла одним способом) и комбинированные (обработка металла несколькими  способами одновременно). К простым методам относятся: 1)обработка металла вакуумом; 2)продувка инертным газом; 3)обработка металла синтетическим шлаком в ковше; 4)введение реагентов в глубь металла; 5)продувка порошкообразными материалами. Основными недостатками перечисленных простых способов обработки металла являются: 1) необходимость перегрева жидкого металла в плавильном агрегате для компенсации снижения температуры металла при обработке в ковше; 2) ограниченность воздействия на металл (только десульфация или только дегазация и т.п.). наилучшие результаты воздействия на качество металла достигаются при использовании комбинированных способов, когда в одном или нескольких, последовательно расположенных агрегатах, осуществляется ряд операции. Для их осуществления оказывается необходимым усложнять конструкцию ковша и использовать более сложное оборудование.

Внепечная обработка  металла комбинированными методами может производиться: 1) в обычном сталеразливочном ковше с футеровкой из шамота и с вертикальным стопором; 2) в сталеразливочном ковше с футеровкой из основных высокоогнеупорных материалов и стопором шиберного типа; 3) в сталеразливочном ковше, снабженном крышкой; 4) в сталеразливочном ковше, оборудованном для вдувания газа или газо-порошковой струи снизу, через смонтированные в днище устройства; 5) в агрегате-ковше с крышкой (сводом), через которую опущены электроды, нагревающие металл в процессе его обработки; 6) в агрегате типа конвертера, с продувкой металла кислородом, аргоном, паром; 7) в агрегате типа конвертера, снабженном оборудованием для вакуумирования расплава и т.д.

 

2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ОСНОВЫ ВНЕПЕЧНОГО РАФИНИРОВАНИЯ

 

Обработка металла вакуумом влияет, как известно, на протекание тех реакции и процессов, в которых принимает участие газовая фаза.

Газовая фаза образуется, в частности, при протекании реакции окисления углерода (образование СО), при протекании процессов выделения растворенных в металл водорода и азота, а также процессов испарения примесей цветных металлов.

В стали практически  всегда содержится определенное количество углерода. Равновесие реакции [С]+[О]=CO_ГАЗ, К=р_СО/а_[C]а_[O] при обработке вакуумом сдвигается вправо, кислород реагирует с углеродом, образуя окись углерода.

Более слабые включения, такие например, как MnO или Cr₂O₃, восстанавливаются почти нацело; для восстановления более прочных включений, таких, например, как Al₂O₃ или TiO₂, требуется очень глубокий вакуум. Снижение концентраций кислорода в металле («окисленности» металла) при обработке вакуумом за счет реакций окисления углерода получило название «углеродное раскисление».

Обработка металла вакуумом влияет и ра содержание  в стали водорода и азота. Выше было сказано, что содержание водорода в металле определяется при прочих равных условиях давлением водорода в газовой фазе. При снижении давления над расплавом равновесие реакции сдвигается вправо. Водород в жидкой стали отличается большой подвижностью, коэффициент диффузии его достаточно велик (D=1,2/1,5*10см/с), и в результате вакуумирования значительная часть содержащегося в металле водорода быстро удаляется из металла.

 

ПРОДУВКА  МЕТАЛЛА ИНЕРТНЫМИ ГАЗАМИ

 

Продувка металла  инертными газами в известной  мере влияет так же, как обработка  вакуумом. При продувке инертными  газами массу металла пронизывают  тысячи пузырей инертного газа, каждый из которых представляет собой миниатюрную вакуумную камеру, поскольку парциальные давления водорода и азота в таком пузыре равны нулю. Технически операция продувки больших масс металла инертными газами в ковще проще и дешевле, чем обработка вакуумом, поэтому, если это возможно, продувка инертными газами через пористые пробки в днище ковша или через полый стопор заменяет обработку вакуумом.

При продувке инертным газом происходит интенсивное перемешивание  металла, усреднение его состава; в  тех случаях, когда на поверхности металла наведен хороший шлак, перемешивание улучшает условия протекания процесса ассимиляции таким шлаком неметаллических включений; если этот имеет высокую основность (а также малую окисленность) происходит также десульфурация металла.

Технически операция продувки больших масс металла инертными газами в ковше проще и дешевле, чем обработка вакуумом, поэтому там, где это возможно, продолжительная по времени продувка инертными газами заменяет обработку вакуумом. Во многих случаях продувку металла инертным газом проводят одновременно с обработкой вакуумом, так как вызываемое продувкой энергичное перемешивание металла ускоряет процессы вакуумирования, делает вакуумирование более эффективным.

Масса пузырей  инертного газа улучшает условия  протекания процессов газовыделения, так как пузыри являются готовыми полостями с развитой поверхностью раздела, что очень важно для образования новой фазы. Продувка инертным газом сопровождается снижением температуры металла (газ нагревается и интенсивно уносит тепло), поэтому продувку инертным газом часто используют для регулирования температуры металла в ковше.

Как метод повышения  качества металла, продувка инертными  газами получила промышленное распространение  по мере развития способов получения  дешевого аргона в больших количествах, как сопутствующего продукта при производстве кислорода. Как известно, в воздухе около 1 % аргона. На кислородных станциях аргон выделяют при ректификации жидкого воздуха. Учитывая небольшие расходы аргона, при наличии на заводе мошной кислородной станции объем попутно получающегося при этом аргона достаточен для обработки больших количеств стали. В тех странах, где имеются запасы гелия, для продувки используется также гелий.

Для продувки металла, не содержащего нитридообразуюших  элементов (хрома, титана, ванадия и т.п.), часто применяют азот. В интервале 1550-1600°С процесс растворения азота в жидком железе не получает заметного развития. В СССР для продувки металла широко используются и аргон и азот (обычно под термином "продувка инертными газами" понимают применение и аргона и азота).

В общем случае при продувке металла инертными  газами одновременно протекают многие процессы: 1) энергичное перемешивание  расплава; 2) выравнивание, корректировка  и установление точных значений   температуры  металла;   3) выравнивание,   корректировка, регулирование химического состава; 4) уменьшение содержания газов в металле; 5) повышение степени чистоты стали по оксидным включениям; 6) снижение содержания серы и сульфидных включений при наличии покровного шлака необходимого состава; 7) ускорение расплавления и равномерного распределения по объему ковша вводимых раскислителей и легирующих добавок; 8) ускорение нагрева и расплавления в покровном шлаке вводимых в ковш твердых шлакообразующих смесей; 9) улучшение условий протекания реакции окисления углерода при обработке нераскисленного металла; 10) снижение температуры металла; 11) ускорение разрушения огнеупорной футеровки ковша.

Тепло при продувке дополнительно затрачивается на нагрев инертного газа и излучение активно перемешиваемыми поверхностями сплава и шлака. Большая часть тепловых потерь связана с увеличением теплового излучения, поэтому такой прием, как накрывание ковша крышкой при продувке инертными газами позволяет заметно уменьшить потери тепла; при этом обнажающаяся при продувке сталь, имеет меньшую степень окисления.

Простым и надежным способом подачи газа является использование  так называемого ложного стопора. Продувочные устройства типа ложного  стопора безопасны в эксплуатации, так как в схему футеровки ковша не нужно вносить никаких изменений, но они обладают малой стойкостью. В результате интенсивного движения металлогазовой взвеси вдоль стопора составляющие его огнеупоры быстро размываются.

Во многих случаях  продувку инертным газом проводят одновременно с обработкой металла вакуумом. В этом случае расход инертного газа может быть существенно уменьшен. Совмещение продувки инертным газом обработкой шлаком способствует повышению эффективности использования шлаковых смесей, так как интенсивное перемешивание при продувке увеличивает продолжительность и поверхность контакта сталь-шлак. Если при этом ковш, в котором осуществляется такая обработка, накрыт крышкой, то наличие в пространстве между крышкой и поверхностью шлака атмосферы инертного газа предохраняет сталь от окисления, а снижение потерь тепла позволяет увеличить продолжительность контакта металла с жидким шлаком. На этом принципе основана разработанная на одном из металлургических заводов Японии технология так называемого САВ-процесса (от слов Capped—Argon—Bubb-ling) (рис. 3 слева); данная технология предусматривает наличие на поверхности сплава в ковше синтетического шлака заданного состава.

В тех случаях, когда из плавильного агрегата в ковш попадает в месте со сталью какое-то количество конечного окисленного шлака (например, при выпуске плавки из конвертера), используют метод, названный металлургами Японии SAB-процессом (рисунок 3 справа).

 

АРГОНО  – КИСЛОРОДНАЯ ПРОДУВКА

   

Влияние продувки металла инертным газом на уменьшение парциального давления монооксида углерода, образующегося при окислении  углерода, использовано при разработке такого   процесса,   как   арного-кислородное   обезуглероживание  или аргоно-кислородное рафинирование (АКР). При продувке металла кислородом равновесие реакции [С] + 1/2 О₂(г) = С0г определяется парциальным давлением кислорода и образующегося монооксида углерода. При продувке металла смесью кислорода с аргоном происходит "разбавление" пузырей СО аргоном и соответствующий сдвиг вправо равновесия реакции. Окислительный потенциал газовой фазы при этом достаточен для проведения реакций окисления примесей ванны.

Метод аргоно-кислородной  продувки широко используется при производстве коррозионностойких и других хромсодержаших сталей. Равновесие реакции (Сг2О3) + 3[С] = 2[Сг] + 3 С0г при уменьшении парциального давления монооксида углерода Рсо сдвигается вправо, в результате обеспечивается хорошее усвоение кислорода. В процессе продувки состав смеси изменяют, уменьшая расход кислорода и увеличивая расход аргона. Таким образом, обеспечивают получение сплавов с очень низким содержанием углерода и без заметных потерь хрома.

Метод аргоно-кислородной  продувки реже используют для получения  таких особо низких концентраций углерода, как при способе вакуум-кислородного обезуглероживания, степень использования хрома при аргоно-кислородной продувке несколько ниже. Однако способ арного-кислородкой продувки позволяет на более простых агрегатах получав более высокую производительность.

Соотношение расходов кислорода и аргона изменяют по ходу продувки, добиваясь максимального  окисления углерода и минимального окисления хрома. Обычно соотношение  расходов кислорода и аргона по ходу продувки изменяют от 3:1 до 1:3. Для снижения стоимости передела в начальной стадии продувки вместо аргона можно вдувать азот. На заключительной стадии ванну продувают чистым аргоном для возможно большего снижения концентрации кислорода и серы (в результате перемешивания металла под высокоосновным шлаком), а также для возможно большего восстановления окисленного в процессе продувки кислородом хрома.

Продувка жидкого  металла в заключительной стадии процесса чистым аргоном позволяет  снизить газонасыщенность металла (контролировать содержание азота) и стабильно получать содержание серы на уровне 50% при выплавке низколегированных и углеродистых сталей.  Метод AOD позволяет получать в конвертере высокохромистые стали непосредственно из чугуна с использованием в качестве шихтового материала хромистой руды. Жидкий чугун подвергают внедоменной обработке (обескремнивание, дефосфорация), после чего заливают в конвертер. В процессе продувки в конвертере осуществляют обезуглероживание, десульфурацию и легирование хромом. Часть хрома вводя в металл с феррохромом, а часть - с хромистой рудой, оксиды которой восстанавливаются углеродом чугуна. Возможности, которые появляются при использовании метода аргоно-кислородного рафинирования велики и в мировой практике создаются новые варианты процесса. В частности, разрабатываются варианты использования метода расплавления хромо- и никельсодержащего металлолома при вдувании в конвертер каменноугольной пыли с , последующей аргоно-кислородной продувкой расплава и получением коррозионностойкой стали.