Внепечная обработка стали

 

ВЛИЯНИЕ ПРОДУВКИ МЕТАЛЛА НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАСПЛАВА

  

Внепечная обработка  стали повышает свойства стали, улучшаются показатели пластичности, уменьшается анизотропия физико-механических характеристик слитка и проката, поскольку при такой обработке в стали снижается содержание нежелательных примесей, газов, неметаллических включений. Однако отмечено достаточно большое число случаев, когда после внепечной обработки наблюдается улучшение свойств твердого металла без заметного изменения его состава, содержания в нем газов и неметаллических включений, что явилось основанием для ряда проведенных в последние годы исследований.

Во всех методах  внепечной обработки расплавленный  металл подвергается интенсивному и  длительному перемешиванию, что  как это обычно принято считать, приводит к увеличению макрооднородности  расплава по составу и темпера  туре. Однако есть предположения, что длительное перемешивание должно способствовать достижению также и микроравновесного состояния расплавленной стали. Не исключено приближение к равновесию микроскопических состояний расплава (это эквивалентно повышению однородности его структуры ближнего порядка) вызовет изменение физических структурно-чувствительных свойств и улучшит качественные характеристики рафинированного металла. По определению физических свойств металлических расплавов до и после вкепечной обработки выполнено мало исследований.

Подробные исследования по данному вопросу выполнены  коллективом специалистов под руководством Б.А.Баума. Высоколегированные стали  и сплавы выплавляли в электродуговых печах и продували в ковше  аргоном, подаваемым через пористые трубки.

Общим для всех обработанных сталей и сплавов оказалось  увеличение кинематической вязкости расплава на 10—20, плотности на 3-5 и поверхностного натяжения на 7-10%. Продувка сплава ЭИ602 аргоном привела к уменьшению параметра кристаллической решетки  твердого раствора с 0,35664 до 0,35653 нм и возрастанию плотности с 8,3469 до 8,3595 г/см3, хотя концентрация газов и неметаллических включений после продувки практически не изменялась.

Во всех случаях  после продувки возрастает ударная  вязкость и пластические свойства металла. Общим для всех обработанных сталей является не только повышение их вязкости, но и увеличение удельной работы деформации, характеризующей вязкость материала твердых образцов. Удельная работа деформации в области пластической деформации связана с трением взаимоперемещающихся плоскостей, т.е. с вязким сопротивлением течению. Авторы исследования заключают, что обнаруженная корреляция в изменении вязкости расплава и твердого металла при его пластической деформации связана с общностью механизмов рассеяния энергии. По мере повышения однородности расплава и соответственно уменьшения дефектности кристаллической структуры твердого образца условия для равномерного рассеяния механической энергии, сообщаемой системе, оказываются более благоприятными. Локализация энергии в отдельных микрообьемах затрудняется. Пластичность и устойчивость металла по отношению к разрушающим нагрузкам возрастает.

Итак, в них  случаях установлено снижение вязкости стали после продувки, в других ее возрастание. Возможно, одной из причин этого является существенное различие состава исследованных сталей. Не исключено, что в сталях более простого состава, выплавленных без присадки значительного количества легирующих элементов и находящихся почти в микроравновесном состоянии, преобладает эффект снижения вязкости в результате удаления неметаллических включений и газов.

Для сложнолегированных сталей определяющим может явиться  приближение к микроравновесному  состоянию и изменение структуры  ближнего порядка расплава под воздействием перемещения и образования развитой поверхности раздела металл — газ.

Интенсивное перемешивание  расплава при продувке улучшает условия  диффузии и способствует частичному разрушению существующих в расплаве неравновесных долгоживущих группировок  сильно взаимодействующих частиц. Часть прочных внутренних связей в этих комплексах освобождается и принимает участие во взаимодействии с окружающими комплекс структурными единицами расплава. Это приводит к увеличению средней энергии межчастичного взаимодействия, что проявляется в повышении поверхностного натяжения расплава и энергии активации вязкого течения. Следствием этого является рост кинематической вязкости расплава. Повышение средней энергии межчастичного взаимодействия и увеличение степени однородности расплава сопровождается ростом плотности и магнитной восприимчивости.

Магнитные свойства переходных металлов и сплавов на их основе определяются, в основном, характером ближнего порядка, дальний  порядок здесь несуществен. Следовательно, продувка металла инертным газом, оказывая определенное влияние на структуру ближнего порядка расплава, влияет и на структуру ближнего порядка твердого металла: магнитная восприимчивость как жидкого, так и твердого металла изменяется практически одинаково при продувке. Можно считать, что степень влияния продувки на структуру ближнего порядка твердого металла пропорциональна степени воздействия на расплав, т.е. степени приближения его к микроравновесному состоянию.

Качество металла  также закономерно изменяется в  зависимости от продолжительности продувки.

Таким образом, продувка металла газом в ковше  приводит к изменению структуры  ближнего порядка расплава и его  физических свойств. Эти изменения  в значительной степени обусловливают  повышение качества стали после  продувки. Закономерное (затухающее) изменение физических свойств в зависимости от продолжительности обработки позволяет выбрать оптимальное ее значение по наибольшему увеличению плотности, поверхностного натяжения или вязкости расплава.

 

 

ВНЕПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ НА УСТАНОВКАХ НЕПРЕРЫВНОЙ РАЗЛИВКИ (УНРС)

 

Внепечная обработка  стали на установках непрерывной  разливки осуществляется благодаря  комплексу мер, основные из которых  следующие:

1. Увеличение емкости и глубины промежуточного ковша. Промежуточные ковши УНРС, построенные в последние годы, вмещают не менее 50 т металла и имеют глубину ванны 1,0-1,5 м и более. Крупный ковш позволяет сохранять постоянную скорость разливки при смене сталеразливочного ковша без опасения затягивания шлака в кристаллизатор, а также облегчить условия всплывания неметаллических включений;
2. Заливка стали из сталеразливочного ковша в промежуточный производится через удлиненный погружной стакан с поддувом инертного газа. Это исключает контакт струи металла с атмосферой;
3. Промежуточный ковш накрывают крышкой и подачей под крышку газа создают над ванной восстановительную и нейтральную атмосферу с тем, чтобы исключить контакт металла с атмосферой;
4. На поверхности металла в промежуточном ковше наводят присадками флюса шлак, способный абсорбировать всплывающие включения и препятствовать насыщению металла газами из атмосферы;
5. Осуществляют продувку металла аргоном. Задача – обеспечить необходимое перемешивание и движение металла в ковше, дегазировать металл, организовать ффлотацию неметаллических включений;
6. Обеспечивают регулирование температуры в ковше и постоянную степень нагрева металла в процессе непрерывной разливки;
7. В промежуточных ковшах устанавливают перегородки и пороги, обеспечивающие лучшее рафинирование металла от включений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВНЕПЕЧНАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ И ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ

 

Проблему "внепечная  обработка и экология" следует  рассматривать с нескольких точек зрения: а) образование отходов в процессе собственно внепечной обработки (отходящие газы, пыль, шлаки, шламы, охлаждающая агрегаты вода); б) влияние внепечной обработки на металлургическую отрасль вообще.

Количество  дополнительно образующегося в  процессах внепечной обработки  шлаков и шламов или весьма невелико, или вообще отсутствует, расход воды на охлаждение также весьма невелик. Что касается отходящих газов, то все вводимые в строй установки являются современными агрегатами, оборудованными пылеулавливающими устройствами. Влияние же внепечной обработки в широком смысле на решение проблемы охраны природы весьма велико. Оно складывается из следующего:

1. Внедрение  современных методов внепечной  обработки позволяет заметно  уменьшить масштабы производства  стали при сохранении потребностей  машиностроения, строительства, оборонной промышленности и других отраслей народного хозяйства. К сожалению, исторически сложилось так, что структура производства черных металлов в России заметно отличается от таковой в других промышленно развитых странах мира. Сложившаяся структура (масштабы мартеновского производства, разливка стали преимущественно в изложницы, недостаточное развитие экономных видов проката и листового проката и др.) такова, что эффективность использования выплавляемой стали невелика. Современные методы внепечной обработки позволяют получать сталь с ничтожно малым содержанием вредных примесей, Получение стали с гарантированно низким содержанием вредных примесей позволяет исключить дефекты слитка, связанные с ликвацией и сегрегацией примесей, образованием газовых пузырей, флокенов, трещин,    расслоя    и   т.п.    Это,    в   свою    очередь,  позволяет конструкторам существенно уменьшить или вообще исключить принимаемые ими коэффициенты запаса прочности. В результате оказывается возможным при меньших масштабах металлургического производства производить большую массу продукции машиностроения. Условно можно принять, что из каждых 100 млн.т выплавляемой стали 30—35 млн.т можно "съэкономить" только за счет внепечной обработки. А это значит, что можно меньше добывать железной руды (которая потом проходит через обогатительные фабрики, для работы которых характерен большой расход воды, обильное выделение пыли и т.п.), не строить столько агломерационных фабрик (чрезвычайно вредных с экологической точки зрения), нет нужды в таком количестве кокса (можно уменьшить число коксовых батарей, очень вредных с экологической точки зрения), меньше нужно доменных печей и т.д.

2. Внедрение современных методов внепечной обработки 
позволяет заметно уменьшить расход ферросплавов и соот 
ветственно сократить их производство. Как известно, фер 
росплавное производство является вообще одним из самых 
"тяжелых", с точки зрения охраны человека и природы, 
производств.

Современные методы внепечной обработки позволяют  широко использовать прямое легирование, при котором в ванну металлургических агрегатов подаются непосредственно руды (или их концентраты), содержащие легирующие компоненты. Например, подача в AOD-конвертер хромсодержаших руд позволяет существенно сократить расход феррохрома.

3. Внедрение современных методов внепечной обработки позволяет производить высококачественные легированные и высоколегированные марки сталей и сплавов при использовании более простых в изготовлении и более дешевых ферросплавов. Так, распространение в мире AOD-процесса позволило использовать при производстве высокохромистых сталей (например, нержавеющих) и сплавов (например, жаропрочных) высокоуглеродистый феррохром взамен более сложного в изготовлении и более дорогого низкоуглеродистого феррохрома, что вообще заметно отразилось на мировом производстве низкоуглеродистых сортов феррохрома в мире (оно заметно снизилось).
4. Внедрение современных методов внепечной обработки существенно   расширило   возможности   рационального   использования и переработки непосредственно на металлургических заводах шлаков из шлаковых отвалов, шламов, отходов смежных производств (абразивного производства, алюминиевых заводов, производства электродов, золы тепловых электростанций, отработанных катализаторов нефтехимических предприятий и т.п.). Помимо снижения себестоимости стали это позволяет решать экологические проблемы (снижение загрязнения среды, ликвидация свалок отходов, более рациональное использование природных ресурсов и т.д.).

Аргонокислородная и вакуум-кислородная обработки  позволяют эффективно использовать углерод для восстановления содержащихся в этих отходах ценных металлов, сдвигая вправо равновесие реакций МеО + С = Me + СО.

5. Высокое качество  и надежность получаемой после  внепечной обработки металлопродукции (трубы, рельсы и т.п.) существенно сокращает случаи аварий на транспорте, разрывов газопроводов, нефтепроводов и т.п., губительно отражающихся на природе.

Из сказанного выше становится ясным, что разработка, внедрение и распространение  методов внепечной обработки  обеспечивает существенную экономию материальных и трудовых ресурсов и существенно облегчает решение проблем охраны природы. Понятно поэтому, что и в мире и в нашей стране в ближайшие годы именно развитие этой подотрасли металлургического производство будет иметь приоритет перед всеми другими.

 

 

 

 

 

 

Использованные  литературы:

 

1. В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев. «Общая металлургия». ИКЦ «Академкнига», 2005г.