Технология производства стали в электрических печах

В декабре 1999 года на заводе г. Крефельд была разлита первая промышленная плавка коррозионностойкой стали аустенитного класса массой 36 т, и получен лист шириной 1100 мм и толщиной 3 мм.

С марта 2000 года устойчиво разливается полный ковш вместимостью 90 т. Жидкая сталь поступает через промежуточный ковш на разливочную машину. Лист с помощью вытягивающих роликов передается на моталку. По окончании разливки рулон разматывается и разделяется на рулоны меньшей массы. Поверхность листа не имеет дефектов. В продольном направлении лист по форме соответствует требованиям к горячекатаному листу, а в поперечном направлении к холоднокатаному. Кромки характеризуются очень высоким качеством.

Рис 3.4. Эскиз, сделанный сэром Генри Бессемером (а), и установка, запатентованная им в 1865 г.

 

Листы обжимали до толщины 0,8 мм на стане холодной прокатки, отжигали и оценивали по действующим стандартам. Поверхностные дефекты отсутствовали. Благодаря быстрой кристаллизации чистота была выше, чем обычно. В результате возросла коррозионная стойкость. Механические свойства соответствовали свойствам обычного листа, однако относительное удлинение находилось на нижнем пределе. В 2003 году производство коррозионно-стойкой тонкополосовой стали на заводе в г. Крефельд достигло 400 000 т.

 

 

 

 

 

 

 

 

Одним из существенных преимуществ  нового процесса для всего металлургического  производства высококачественной полосы являются менее жесткие требования к качеству стального лома, применяющегося при выплавке сталей в электропечах.

Степень чистоты в отношении величины и количества неметаллических включений выше у полос, полученных на двухвалковых литейно-прокатных агрегатах.

Средняя цена 1 т горячекатаной  полосы эквивалентных размеров, полученной по традиционной  технологии, составляет в США 250-300 долл., в Европе 280-290 долл. 1 т полосы из нержавеющей стали, полученной на двухвалковом литейно-прокатном  агрегате, будет на 50-150 долл. дешевле тонны полосы, полученной по технологии отливки тонкого сляба. При производстве полосы из низкоуглеродистой стали экономия составит 20-35 долл.т.

Вопросы цены горячекатаной  полосы самым тесным образом связаны  с качеством получаемого металла.

 

 

3.3. Структура  и качество литой стали

 

После заполнения жидкой сталью изложницы  или кристаллизатора МНЛЗ происходит охлаждение расплава, а затем наступает  момент его кристаллизации, т. е. происходит переход металла из жидкого в  твердое состояние. Затвердевание металла и формирование слитка представляет собой сложный процесс, при котором протекает ряд различных физических, физико-химических и теплофизических явлений.

В зависимости от степени  раскисления выплавляют стали:

а) спокойные,

б) кипящие,

в) полуспокойные.

Спокойная сталь получается при полном раскислении в печи и ковше.

Кипящая сталь раскисленна  в печи неполностью. Ее раскисление  продолжается в изложнице при  затвердевании слитка, благодаря  взаимодействию оксида железа и углерода: ,

Образующийся оксид  углерода выделяется из стали, способствуя удалению из стали азота и водорода, газы выделяются в виде пузырьков, вызывая её кипение. Кипящая сталь не содержит неметаллических включений, поэтому обладает хорошей пластичностью.

Полуспокойная сталь  имеет промежуточную раскисленность между спокойной и кипящей. Частично она раскисляется в печи и в  ковше, частично – в изложнице, благодаря  взаимодействию оксида железа и углерода, содержащихся в стали.

К числу физических явлений относится усадка, т. е. уменьшение удельного объема металла при переходе его из жидкого в твердое состояние. Удельный объем стали уменьшается примерно на 2,0-5,0 % (в зависимости от содержания в ней углерода), что вызывает появление в слитке усадочной раковины и осевой пористости (рыхлости) в верхней и центральной частях слитка. Этот дефект характерен для слитков спокойной стали (рис. 4.1, в). В слитке кипящей и полуспокойной стали усадка компенсируется наличием газовых пузырей (рис. 4.1, а, б).

К физико-химическим явлениям относится ликвация и уменьшение растворимости газов (водорода и азота) в твердом металле.

Ликвацией называют перераспределение примесей между затвердевающим металлом и расплавом. Процесс затвердевания происходит в течение некоторого промежутка времени и в значительном температурном интервале. Вначале при медленном охлаждении из расплава выпадают сравнительно чистые кристаллы твердого металла. Остающийся незакристаллизованный жидкий металл обогащается примесями и оттесняется к центральной, верхней части слитка. При последующем затвердевании выпадают кристаллы, в значительной мере загрязненные примесями. Это приводит к появлению химической неоднородности слитка как по его высоте, так и поперечному сечению. Наиболее ликвирующими являются такие вредные примеси, как сера и фосфор, поэтому в слитке существуют зоны, обогащенные этими примесями: 1) примыкающая к усадочной раковине; 2) так называемых усов (/\-образной ликвации); 3) V-образной ликвации {рис. 10,в). Такой характер распределения примесей характерен для слитка спокойной стали. Наиболее чистый металл находится в наружной поверхностной зоне, которая кристаллизуется в первую очередь и с достаточно большой скоростью. Кроме того, в слитке спокойной стали кристаллы чистого металла сосредотачиваются в его нижней части, в так называемой зоне отрицательной ликвации.

К физико-химическим явлениям, влияющим на строение слитка, относится также газовыделение как из жидкого, так и затвердевающего металла и сопутствующее ему перемешивание жидкой стали. При формировании слитка кипящей или полуспокойной стали происходит кипение металла в изложнице в результате образования и всплывания пузырей СО. При формировании слитка спокойной стали возможно образование газовых пузырей и пористости в результате выделения водорода.

К теплофизическим явлениям, влияющим на структуру стального  слитка, относится теплоотвод через  стенки изложницы и образование  конвективиых потоков жидкого металла в изложнице. В момент соприкосновения жидкого металла с холодной изложницей происходит быстрое охлаждение металла и его кристаллизация, что приводит к образованию тонкой корочки с мелкими беспорядочно ориентированными кристаллами. В дальнейшем теплоотвод происходит с гораздо меньшей скоростью и имеет направленный характер (перпендикулярно стенке и дну изложницы). Это приводит к формированию зоны довольно крупных столбчатых кристаллов. В центральной части слитка, в которой металл в течение продолжительного времени остается жидким (вследствие малой скорости теплоотвода) образуются беспорядочно ориентированные кристаллы.

Строение слитка кипящей стали. Эффект кипения металла при затвердевании вызван выделением пузырей СО, образующихся при взаимодействии растворенных. в жидкой стали углерода и кислорода. Это явление предопределяет строение слитка кипящей стали (рис. 4.1,а). В затвердевшем слитке имеются следующие зоны:

1. Плотная наружная  корочка (толщиной 8-10 мм), образующаяся в момент соприкосновения жидкого металла с холодными стенками изложницы. Корочка состоит из мелких, беспорядочно ориентированных кристаллов.

2. Сотовые пузыри вытянуты  перпендикулярно к стенке изложницы.  Такое расположение пузырей связано с направлением теплоотвода и ростом столбчатых кристаллов. Сотовые пузыри завариваются при прокатке слитков.

3. Плотный и чистый металл. В этой зоне газовыделения не происходит.

4. Вторичные пузыри (ширина зоны 30-110 мм). В момент их образования верх слитка успевает затвердеть, поэтому газовые пузыри не успевают выделиться из металла. Вторичные пузыри также завариваются при прокатке.

5. Средняя часть слитка, кристаллизующаяся в последнюю  очередь и состоящая из беспорядочно  ориентированных кристаллов, обогащенных  ликвирующими примесями. В этой  зоне также имеются (пузыри, особенно  в верхней части, причем эти пузыри усадочного происхождения. Верхняя часть этой зоны особенно сильно обогащена ликватами, поэтому ее отрезают. Обрезь составляет 5-10 % от массы слитка, она примерно вдвое меньше, чем у слитка спокойной стали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.6. Строение слитков кипящей (а), полуспокойной (б) и спокойной (в) стали:

1 –  плотная корочка; 2 – сотовые пузыри; 3 – промежуточная плотная зона; 4 – вторичные пузыри; 5 – плотная центральная часть слитка; 6 – усадочная раковина; 7 – зона V-образной ликвации; 8 – зона /\-образной ликвации; 9 – зона отрицательной ликвации

 

Строение слитка полуспокойной стали. При затвердевании полуспокойной стали выделяется значительно меньше пузырей СО, т.е. она кипит менее интенсивно, чем кипящая. Остающиеся пузыри в слитке в верхней его части компенсируют усадочную раковину (рис. 4.1, б). Вследствие малой продолжительности кипения уменьшается химическая неоднородность. В слитке полуспокойной стали также имеется плотная корочка с мелкими беспорядочно ориентированными кристаллами. Зона сотовых пузырей значительно меньше, и они расположены в верхней части слитка. Вторичные пузыри в слитке отсутствуют. Пузыри концентрируются в головной части слитка. Таким образом, большая часть слитка представляет собой достаточно плотный металл без дефектов. В связи с этим головная обрезь у слитка полуспокойной стали составляет < 6 %, т. е. меньше, чем у кипящей и тем более чем у спокойной стали.

Строение слитка спокойной стали. В слитке спокойной стали (см. рис. 4.1, в) различают следующие структурные зоны: 1) тонкую наружную корку, состоящую из мелких, беспорядочно ориентированных кристаллов; 2) вытянутые столбчатые кристаллы; 3) крупные различно ориентированные кристаллы (центральная зона); 4) беспорядочно ориентированные кристаллы (осевая зона). В этой зоне обычно имеется осевая рыхлость и V-образная ликвация; 5) конус осаждения. Эта зона представляет собой конгломерат сросшихся кристаллов, наименее всего загрязненных примесями. В верхней части слитка имеется усадочная раковина, пустоты и рыхлость. Для слитка спокойной стали характерна незначительная химическая неоднородность, усиливающаяся с увеличением массы слитка.

Дефекты стальных слитков. Основными дефектами стальных слитков спокойной стали являются усадочная раковина, осевая рыхлость и химическая неоднородность, т.е. значительное различие по химическому составу структурных зон слитка. Прибыльную часть слитка, в которой сосредоточена усадочная раковина, отрезают при прокатке и обрезь отправляют на переплав.

Заворот корки (дефект поверхности) образуется при прорыве затвердевшей корочки на поверхности поднимающегося металла в изложнице. Возможно прилипание корочки к стенке изложницы, заворот и заливка ее поднимающимся кидким металлом. В месте заворота корочки скапливаются оксиды, которые препятствуют ее завариванию при прокатке, поэтому в этом месте образуются рванины. Для уменьшения возможности появления заворота корочки применяют различные методы защиты поверхности поднимающегося в изложнице жидкого металла от окисления (разливка в защитной атмосфере, под слоем шлака и др.).

Поперечные горячие трещины образуются при зависании слитка в изложницы в процессе затвердевания. Для предупреждения возникновения этого дефекта необходимо плотное прилегание прибыльной надставки к верхней части изложницы и не использовать изложницы с дефектами на их стенках.

Продольные трещины возникают при разрыве тонкой корочки затвердевшего металла при его кристаллизации. Возможно, образование горячих продольных трещин и на гранях слитка в результате плохого центрирования струи жидкого металла при разливке сверху. Для устранения появления продольных трещин необходимо поддерживать оптимальную скорость разливки, предотвращать сильный перегрев жидкой стали, а также применять изложницы с погнутыми и волнистыми стенками. Для исключения появления этого дефекта необходима своевременная посадка слитков в нагревательные колодцы в горячем состоянии вакуумирования.

 

РАЗДЕЛ 4. ВНЕПЕЧНОЕ РАФИНИРОВАНИЕ СТАЛИ

 

4.1. Способы  внепечной обработки стали

Стали, выплавляемые в  конвертерах, электро- и мартеновских печах, в значительной мере насыщены различными газами. В периоды остывания и кристаллизации из стали выделяются газы даже после ее охлаждения, а часть их остается в металле и вызывает снижение качества готовых изделий (образование пузырей, микроскопических усадочных раковин и волосовин, флокенов, старение стали, снижение магнитных свойств и др.).

Один из способов повышения  качества стали – дегазация, т. е. удаление водорода, оксида углерода, азота и уменьшение содержания неметаллических включений.

Дегазация стали ведется по двум основным направлениям:

1) внепечное вакуумирование, когда из небольших порций  жидкого металла или всей плавки одновременно непрерывно откачивают газы вакуумными насосами;

2) невакуумная дегазация,  заключающаяся в обработке стали газообразными или твердыми реагентами.

 

4.2. Вакуумная обработки стали

Вакуумная обработка – относительно простой метод внепечной обработки. После вакуумной обработки содержание в металле газов и неметаллических включений уменьшается в несколько раз. Для крупных слитков применяется вакуумирование струи металла при заполнении изложницы; этот способ еще более совершенный, так как устраняется вторичное окисление при разливке дегазированного металла из ковша по изложницам.

При вакуумировании происходит самораскисление стали со снижением содержания углерода и кислорода, что обеспечивает получение стали с заданным химическим составом.

Известны следующие  способы вакуумирования стали (рис. 11): в сталеразливочном ковше; струйный; порционный; циркуляционный.

Ковшовое вакуумирование заключается в установке сталеразливочного ковша с металлом в герметически закрытой вакуумной камере, в которой создается разрежение. Ковш для переливания стали устанавливают в вакуумную камеру с разрежением 0,27-0,67 кПа. При понижении давления растворимость в металле кислорода, водорода и других газов резко снижается. Бурно выделяющиеся газ увлекают с собой и неметаллические включения. Недостаток этого способа – сравнительно низкая эффективность и большие потери тепла.