Кипящую сталь раскисляют так, что она и во время наполнения изложницы и после окончания процесса наполнения выделяет газ. В результате реакции углерода с кислородом на фронте затвердевания образуется окись углерода. При этом формируются чистый поверхностный слой (плотная корка) и сердцевина, обогащенная примесями (зона ликвации) – Интенсивное выделение газа вплоть до полного затвердевания предотвращает сосредоточенное уменьшение объема в середине верхней (головной) части слитка. Уменьшение объема (усадочная раковина) обусловливается неодинаковым удельным объемом стали в жидком и твердом агрегатных состояниях. В кипящей стали раковина распределена в форме газовых пузырей (пор) по всему объему слитка. При последующей горячей обработке давлением газовые пузыри завариваются, так как они почти не загрязнены. Это положительно сказывается на выходе годного. Еще одним преимуществом является чистая поверхностная зона, удовлетворяющая высоким требованиям к качеству поверхности. Недостатком является обогащение элементами-примесями (ликвация): углеродом, фосфором, серой, азотом и кислородом в осевой зоне, особенно в верхней части слитка. Это приводит к неравномерности свойств материала по высоте слитка и по его поперечному сечению. Еще одним недостатком является повышенная склонность к хрупкому разрушению, так как азот связать не удается.
Спокойная сталь получаются при полном раскислении металла в печи и ковше (рис. 7, б). Такая сталь затвердевает без выделения газов, в слитке образуется плотная структура, а усадочная раковина концентрируется в верхней части слитка, что увеличивает выход годного металла. Спокойная сталь устраняет перечисленные выше недостатки, присущие кипящей стали. При разливке спокойной стали обеспечиваются существенное уменьшение содержания кислорода и элементов, имеющих сродство с кислородом, которые перечислены выше. Поскольку элементы алюминий, титан, ванадий и цирконий одновременно обладают и высоким сродством к азоту, тем самым одновременно достигается и снижение склонности к хрупкому разрушению стали. Неблагоприятное влияние на качество стали могут оказать оксиды, образующиеся при связывании кислорода, которые, если их не представляется возможным удалить из расплава, превращаются в неметаллические включения и при достаточной концентрации могут ограничить использование материала из-за образования несплошностей в нем. Поскольку в результате эрозии огнеупорного материала в сталь попадают дополнительные (экзогенные) неметаллические включения, уменьшению их содержания путем выделения следует уделять особое внимание. При продувке жидкой стали аргоном достигается снижение содержания неметаллических включений в ней. Еще остающиеся неметаллические включения выделяются в процессе затвердевания, особенно в подповерхностной зоне, что может неблагоприятно сказаться на качестве поверхности. Однако и по всей длине слитка и особенно в верхней его части (где кончается усадочная раковина) возможно обогащение неметаллическими включениями. Еще одним недостатком спокойных сталей является сосредоточенное уменьшение объема в верхней части слитка, что снижает выход годного. При использовании изложниц, оборудованных в верхней части теплоизолирующими прибыльными надставками, это уменьшение выхода годного может быть в известной мере компенсировано.
Полуспокойная сталь получается при раскислении ферромарганцем и недостаточным количеством ферросилиция или алюминия и путем целенаправленного регулирования содержания кислорода. В результате получается полуспокойная или механически закупоренная сталь. Эти мероприятия позволяют достичь лучшего качества поверхности, чем у спокойной стали, и более равномерного распределения ликвирующих элементов, чем в кипящей стали, а сам слиток не имеет концентрированной усадочной раковины, в нижней части он обычно имеет строение спокойной, а в верхней – кипящей стали (рис. 7, в). Такая сталь по качеству применима только для некоторых определенных целей, а по стоимости является промежуточной между кипящей и спокойной.
3.4 Обработка жидкого металла вне сталеплавильного агрегата
При внепечной обработке металл, выплавленный в обычном сталеплавильном агрегате (мартеновской печи, конвертере или электропечи), подвергается внешнему воздействию в сталеразливочном ковше. Основной целью внепечной обработки жидкой стали в ковше является снижение содержания растворенных в металле газов, неметаллических включений и серы.
В настоящее время нет такого способа обработки жидкой стали в ковше, который позволил бы одновременно значительно снизить в металле содержание неметаллических включений, серы и газов. Поэтому в зависимости от поставленной задачи применяется тот или иной способ внепечной обработки металлов.
Обработка металлов в ковше синтетическим шлаком приводит к снижению в стали количества серы, неметаллических включений и кислорода. Сущность метода заключается в том, что металл выпускают из печи в ковш, частично заполненный жидким шлаком (4 – 5% от массы металла), который предварительно выплавляют в специальном агрегате. Жидкий шлак и металл интенсивно перемешиваются. Сера, кислород и неметаллические включения переходят из металла в шлак. При обработке металла синтетическим шлаком важную роль играет его состав и физико-химические свойства. Шлак должен иметь низкие температуру плавления и вязкость, а также обладать высокой основностью и низкой окисленностью. Этим требованиям отвечают известково-глиноземистые шлаки, содержащие 50 – 55% СаО, 38 – 42% Al2O3, 1,5 – 4% SiO2, 0,15 – 0,5% FeO. Шлаки такого состава обладают высокой рафинирующей способностью.
Повышение качества стали, обработанной синтетическим шлаком, компенсируют затраты, связанные с выплавкой такого шлака.
Продувка металла в ковше порошкообразными материалами является одним из современных способов повышения качества стали и производительности сталеплавильных агрегатов.
Электрошлаковый переплав (ЭШП) заключается в следующем:
Переплавляемая сталь подается в установку в виде расходуемого (переплавляемого) электрода 1 (рис. 8). Расплавленный шлак 2 (смесь 60…65% CaF2, 25…30% Al2O3, CaO и другие добавки) обладает большим электросопротивлением и при прохождении электрического тока в нем генерируется тепло, достаточное для расплавления электрода. Капли металла проходят слой шлака, собираются в ванне и затвердевают в водоохлажденной изложнице, образуя слиток. При этом кристаллизация металла происходит последовательно и направлена снизу вверх, что способствует удалению неметаллических включений и пузырьков газа и тем самым образованию плотной и однородной структуры слитка. В конце переплава поддон опускают и затвердевший слиток извлекают из изложницы.
Современные установки ЭШП позволяют получать слитки различного сечения массой 40т.
Жидкий металл в потоке инертного газа (аргона) через фурму вводят измельченные десульфураторы и раскислители. В результате такой обработки можно получить металл с содержанием серы и кислорода менее 0,005% каждого.
Обработка жидкой стали аргоном в ковше является наиболее простым способом повышения качества металла. Аргон вдувают в жидкую сталь через пористые и огнеупорные пробки, которые устанавливают в днище ковша. Аргон не растворяется в жидкой стали, поэтому при продувке металла аргоном в объеме жидкой стали образуется большое количество пузырей, которые интенсивно перемешивают металл и выносят на его поверхность неметаллические включения. Кроме того, водород и азот, растворенные в стали, переходят в пузыри аргона и вместе с ним покидают жидкий металл, т.е. происходит дегазация стали.
Наиболее простым способом является вакуумирование стали в ковше. В этом случае ковш с жидким металлом помещают в герметичную камеру, из которой откачивают воздух. При снижении давления в камере металл закипает вследствие бурного выделения из металлов газов. После дегазации металла камеру разгерметизируют, а ковш с вакуумированной отправляют на разливку.
Ковшевое вакуумирование неэффективно при обработке полностью раскисленной стали и больших масс металла. В этом случае вследствие слабого развитии реакции 2C + O2 = 2CO металл кипит вяло. Для улучшения дегазации стали вакуумную обработку металлов в ковше совмещают с продувкой его аргоном и электромагнитным перемешиванием. Обычно дегазацию металла в ковше проводят в течение 10 – 15 мин. Более длительная обработка приводит к значительному снижению температуры металла.
Парционное и циркуляционное вакуумирование стали применяют при дегазации больших масс металла.
При парционном вакуумировании футерованная вакуумная камера не большого объема помещается над ковшом с жидким металлом. Патрубок камеры, футерованный изнутри и снаружи, погружен в жидкий металл. Под действием атмосферного давления порция металла (10 – 15% от общей массы) поднимается в камеру и дегазируется. При движении ковша вниз или камеры вверх металл вытекает, а при обратном движении вновь поднимается в камеру, для полной дегазации стали необходимо провести от 30 до 60 циклов вакуумной обработки.
При циркуляционном способе вакуумирования стали применяют вакуумную камеру с двумя патрубками. Жидкий металл из ковша поднимается в камеру по одному патрубку, дегазируется и вытекает обратно в ковш по второму патрубку. Происходит непрерывная циркуляция металла через вакуумную камеру. Подъем жидкой стали в камеру происходит за счет действия аргона, который подают во входной патрубок.
Струйное вакуумирование металла применяется в основном при отливке крупных слитков. Этот способ является более совершенным, т. к. устраняется вторичное окисление при разливке вакуумированного металла из ковша в изложницы.