Стали, получаемые по описанным выше давно и широко применяемым технологиям - «классическим» (мартеновскому, конвертерному, в открытых дуговых печах), часто не удовлетворяют по качеству требованиям конструкторов, разрабатывающих установки для новых отраслей промышленности: ядерной, космической, современного высокоскоростного транспорта и др. Поэтому стали, предназначенные для изготовления ответственных изделий, подвергаются дополнительной обработке, направленной на дальнейшую очистку металла от нежелательных (вредных) элементов, растворенных газов, неметаллических включений. Для подтверждения высокой эффективности так называемых «внепечных» способов обработки стали можно привести следующие данные. Долговечность подшипников, изготовленных из обработанной внепечными способами стали, увеличилась в 10 раз; в 7 раз выросла ударная прочность стали после внепечной десульфурации (с 0,025 до 0,002% S).
Идея внепечной обработки (внепечного рафинирования) жидкой стали заключается в том, чтобы с помощью специальных агрегатов или специальных устройств осуществить необходимое рафинирование от вредных примесей и доводку металла не в печи, а в сталеразливочном ковше, причем намного быстрее, чем в печи. Основные способы внепечного рафинирования стали (вакуумирование, обработка шлаком, инертным газом) в промышленных условиях начали применяться с конца 1950-х годов, несколько позднее внедрена в производство внепечная обработка порошкообразными материалами (продувка порошками). Первоначально внепечная обработка широко не использовалась в производстве стали, да и эффект от ее применения был не очень велик. Основные причины этого заключались в следующем:
1) в процессе внепечной обработки быстро понижалась температура жидкого металла в ковше, поэтому приходилось перегревать металл в печи (на 50 - 70°С), что было совершенно невыгодно;
2) сильно нагретый металл приходилось интенсивно перемешивать в ковше, очень часто вместе со шлаком, в таких условиях традиционная шамотная футеровка сталеразливочных ковшей быстро разрушалась;
3) отдельные операции внепечного рафинирования (например, обработка шлаком, вакуумирование, продувка порошками) осуществлялись в разных местах разливочного пролета, что требовало частых и многочисленных перемещений сталеразливочного ковша с жидким металлом, увеличивало загруженность кранов и существенно затрудняло и осложняло организацию работ в разливочном пролете;
4) классическая технология электроплавки и ее видоизменения плохо сочетались с идеей и практикой внепечного рафинирования металла.
Потребовались определенное время и усилия металлургов и конструкторов, чтобы органично вписать внепечную обработку жидкого металла в технологическую схему работы современного электросталеплавилыюго цеха. Для этого пришлось отказаться от классической технологии плавки; изменить планировку цеха и использовать выпуск плавки в ковш, установленный на сталевозной тележке; создать специальные агрегаты комплексной внепечной обработки стали с обязательным подогревом металла (ковш-печь); заменить шамотную футеровку сталеразливочных ковшей на более стойкую, с повышенной огнеупорностью (высокоглиноземистый кирпич, смолодоломитовый кирпич, магнезитхромитовый кирпич и т.д.). Благодаря этому уже с 1970-х годов внепечная обработка жидкой стали все шире применяется в электросталеплавильных цехах со сверхмощными дуговыми печами. В настоящее время трудно представить эффективно работающий высокопроизводительный электросталеплавильный цех без агрегатов внепечной обработки стали, ставших неотъемлемым элементом современной технологии производства электростали. (См. раздел 5.1 с. 100 - 108). Современные установки внепечной обработки стали типа ковш-печь в сочетании с установками внепечного вакуумирования позволили не только значительно сократить длительность плавки в дуговой печи, повысить качество металла, организовать эффективную разливку стали на МНЛЗ, но и освоить производство легированных сталей в сверхмощных печах при относительно низком и стабильном расходе легирующих материалов.
В практике применяют следующие виды внепечной обработки.
Обработка стали синтетическими шлаками.В сталеразливочный ковш перед выпуском стали из конвертера или печи заливают предварительно подготовленный расплавленный шлак в количестве 5-8% от массы стали. Затем в ковш с высоты 3-4 м выпускают сталь небольшой струей. В результате интенсивного перемешивания и эмульгирования резко возрастает поверхность контакта стали со шлаком, что обуславливает высокие скорости процессов десульфурации и раскисления металла. Наилучшими физико-химическими свойствами обладают шлаки состава: СаО = 50 - 55%; А12О3 = 40 - 45%, при минимальном содержанииFeO (<1%) и SiО2 (<5%).
Обработка металла вакуумом. Во время обработки вакуумом происходит выделение из жидкой стали СО, СО2, N2 и особенно активно Н2, оксидных неметаллических включений. Из различных способов вакуумной обработки стали (рис. 5.23) наиболее эффективны вариант а и особенно б. Струя металла, падающая из ковша в ковш или в изложницу, в вакууме (100-400 Па) распадается на отдельные капли. Благодаря увеличению удельной поверхности металла значительно ускоряется процесс дегазации. В варианте б исключено насыщение стали газами в период ее разливки в слитки. Варианты в и г применяют для обработки больших масс металла.
Продувка стали инертными газами. При этом способе происходит интенсивное перемешивание стали, благодаря чему ускоряются процессы удаления газов и неметаллических включений (в результате укрупнения мелких капель оксидов при столкновениях). Расход газа (обычно аргона) составляет 0,5- 2,5 м3/т стали.
Рис.5.23. Схемы установок внепечного вакуумирования стали:
а - при переливе из ковша в ковш: б - при разливке металла; в - с применением циркуляционной камеры; г - с применением камеры для порционного вакуумирования;
д - в ковше, устанавливаемом в стационарную камеру
Продувка стали газо-порошковыми струями. Для удаления фосфора вдувают воздухом в сталь измельченные известь, железную руду и полевой шпат. Для удаления серы вдувают аргоном порошкообразную смесь извести с полевым шпатом. С целью науглероживания вдувают инертным газом порошки графита, кокса, древесного угля. За короткое время обработки удается достичь хороших результатов.
Электрошлаковый переплав металла. При прохождении электрического тока через слой жидкого шлака, обладающего значительным электрическим сопротивлением, в нем выделяется тепло, которого хватает для расплавления конца переплавляемого электрода, погруженного в шлак. Капли металла, проходя через шлак, очищаются от серы и оксидных неметаллических включений и, накапливаясь в медном водоохлаждаемом кристаллизаторе, образуют слиток. Быстрое застывание предотвращает образование в слитке дефектов, связанных с ликвацией вредных элементов. Расходуемый электрод готовят из слитка обычной стали путем ковки, прокатки или полунепрерывной разливки.
В процессе электрошлакового переплава содержание в стали Сu; Мn; Ni; Cr; V; W, Мо не изменяется; Si; Ti; AIчастично выгорают. Степень десульфурации достигает 80%; содержание серы в стали составляет 0,005-0,006%. Расход электроэнергии 1400 кВт/т стали.
Этим способом обрабатывают шарикоподшипниковые, жаропрочные стали, конструкционные стали авиационного назначения и др.