Обработка металла под давлением

     1) окислитель (например, кислород или воздух);

     2) восстановитель (например, природный  газ);

          3) нейтральный газ (например, аргон).  

В качестве вдуваемых реагентов используют шлаковые смеси, а также металлы или сплавы металлов [47]. Метод вдувания порошков используют для следующих целей:

1. Дефосфорация металла. При использовании шлаковых смесей для удаления фосфора в металл обычно вдувают в струе кислорода смесь, состоящую из извести, железной руды и плавикового шпата [46];
2. Десульфурация металла. Для удаления серы в металл вдувают в струе аргона или азота флюсы на основе извести и плавикового шпата; смеси, содержащие кроме шлакообразующих также кальций или магний; реагенты, которые вследствие больших энергий взаимодействия и соответствующего пироэффекта обычными способами вводить в металл нельзя (кальций, магний) [46,48,49];
3. Раскисление и легирование, в том числе введение металлов, которые вследствие токсичности обычными методами вводить опасно (свинец, селен, теллур);
4. Ускорение шлакообразования (например, в конвертерных цехах вдувание порошкообразной извести используют при переделе высокофосфористых чугунов);
5. Науглероживание. Вдувание в металл порошкообразных карбонизаторов (графита, кокса и т.п.) позволяет решать различные задачи:       - корректировать содержание углерода в металле;

- при недостатке или отсутствии чугуна повышать в металле содержание углерода до пределов, необходимых для нормального ведения процесса;             - раскислять металл (вдувание в окисленный металл порошка углерода вызывает бурное развитие реакции обезуглероживания, содержание кислорода при этом уменьшается, а выделяющиеся пузыри монооксида углерода "промывают" ванну от газов и неметаллических включений). Порошок графита или кокса может вводиться в металл непосредственно в печи, а также в ковш или на струю металла, выпускаемого из печи в ковш [29]. Существуют и другие цели использования этого метода.

     Наибольшее  распространение получила практика использования метода для введения в сталь таких реагентов, как  кальций и магний.

     Наиболее  широкое развитие в производстве высококачественной стали в настоящее  время уделяется применению при  внепечной обработке металла  методу обработки стали синтетическими шлаками.

     Перемешивание металла со специально приготовленным (синтетическим) шлаком позволяет интенсифицировать переход в шлак тех вредных примесей (серы, фосфора, кислорода), которые удаляются в шлаковую фазу. В тех случаях, когда основная роль в удалении примесей принадлежит шлаковой фазе, скорость процесса пропорциональна площади межфазной поверхности. Если основной задачей является удаление из металла неметаллических включений определённого состава, то соответственно подбирают состав синтетического шлака (например, металл, выплавленный в кислой печи, обрабатывают основным шлаком; металл, выплавленный в основной печи, кислым) [26]. Если необходимо снижение содержания серы в металле, то подбирают шлак с максимальной активностью СаО и минимальной активностью FeO. Во многих случаях задача заключается, во-первых, в получении шлака заданных состава и температуры, и, во-вторых, в разработке способа получения максимальной поверхности контакта шлаковой и металлических фаз. При этом должны быть обеспечены условия, необходимые для последующего отделения шлака от металла. Обработка стали в ковше жидкими синтетическими шлаками как способ удаления из металла нежелательных примесей была предложена, в 1925 г. советским инженером А.С. Точинским; в 1933 г. способ обработки металла жидкими известково-глинозёмистыми шлаками был запатентован французским инженером               Р. Перреном [50, 51]. Практическую проверку прошёл ряд разновидностей способа обработки металла шлаками различного состава:

     1) жидкими известково-железистыми  шлаками для дефосфорации;

     2) кислым шлаком для снижения  содержания кислорода и оксидных  неметаллических включений; 

     3) жидкими известково-глинозёмистыми  шлаками для десульфурации и  раскисления металла; 

     4) шлаками различного состава во  время разливки и кристаллизации  металла для удаления вредных  примесей и получения хорошей  поверхности слитка [27].

     А.С. Точинский впервые в мире провёл промышленные эксперименты по дефосфорации бессемеровской стали известково-железистым шлаком и рафинировал основную мартеновскую сталь кислым шлаком для раскисления (содержание кислорода в металле удавалось снизить на 30-55 %) [52]. Позднее известково-железистые шлаки (60-65% СаО и 20-35% оксидов железа) неоднократно применяли для обработки конвертерной стали, получая высокую степень дефосфорации. Так, содержание фосфора в томасовской стали удавалось снизить с 0,06 до 0,01 %, а в рельсовой бессемеровской стали с 0,05-0,09 до 0,01-0,03 % [45]. Однако опыт показал, что обработка известково-железистым шлаком углеродистого металла приводит, вследствие протекания реакции (FeO) + [С] = СО_г + Fе_ж к бурному вскипанию и выбросам.

     Кроме того, обработка железистым шлаком затрудняет проведение операции раскисления металла.

     Метод обработки стали известково-глинозёмистым  шлаком исследовался ЦНИИЧМ и рядом заводов. В соответствии с разработанной технологией шлаки с высоким содержанием СаО и добавками Аl2О3 (для снижения температуры их плавления и обеспечения необходимой жидкотекучести) расплавляют в специальной электропечи и заливают в сталеразливочный ковш при выпуске стали из сталеплавильной печи или из конвертера [53]. При сливе металла на находящийся в ковше синтетический шлак обе взаимодействующие фазы (сталь и шлак) интенсивно перемешиваются, шлак эмульгирует в металл и в какой-то степени эмульгирует металл в шлаке с последующим разделением фаз. Интенсивность и глубина протекания процесса определяются высотой падения струи металла и шлака, физическими характеристиками и составом шлака. Основной целью является обеспечение в процессе обработки максимальной межфазной поверхности. Наибольшее влияние при этом имеет высота падения струи металла, а также вязкость шлака.

     Содержащаяся  в металле сера взаимодействует  с СаО шлака и переходит  в шлак. Поскольку синтетический  шлак содержит обычно ничтожно малые  количества таких оксидов, как FeO и МnО, то обработка шлаком сопровождается снижением окисленности металла; в шлак переходит также некоторое количество таких оксидных включений, которые хорошо смачиваются синтетическим шлаком или взаимодействует с ним.

     Разновидностью  метода обработки стали жидкими синтетическими шлаками является совмещённый процесс (или так называемый метод смещения), когда в сталеразливочном ковше одновременно смешиваются и сталь, и синтетический шлак, и жидкая лигатура (расплавленные ферросплавы). Использование этой технологии позволяет, например, смешивать металл из 100-т мартеновской плавки и лигатуру, полученную в 20-т дуговой электропечи и получать 120 т высококачественной стали электропечного сортамента. Метод смещения был разработан на ИжМЗ [54].

     Методы  смешения и совмещённый позволяют получить высококачественную сталь с использованием относительно простого оборудования. Во всех случаях при обработке металла синтетическим шлаком возможно достижение стандартного состава и более стабильных показателей качества от плавки к плавке. Расход синтетического шлака относительно невелик: 3-5 % от массы металла. При относительно малом количестве шлака легче обеспечить стандартность его состава и свойств.

     К основным требованиям, предъявляемым к синтетическим известково-глинозёмистым шлакам относятся минимальная окисленность (это обеспечивает хорошие условия для раскисления стали и её десульфурации) и максимальная активность СаО (это обеспечивает хорошие условия для десульфурации стали). В связи с этим синтетические известково-глинозёмистые шлаки не должны содержать оксидов железа, а содержание кремнезёма должно быть минимальным. Присутствие фосфора в таких шлаках исключается, чтобы не допустить его переход в металл при обработке. В тех случаях, когда в шихте, из которой плавят шлак, содержится некоторое количество кремнезёма, в состав шлака вводят MgO, который образует силикаты магния. Уменьшается вредное воздействие кремнезёма, снижающего активность СаО.

     Обычный состав синтетического шлака (%) следующий: СаО 50-55; А1₂О₃ 37-43; SiО₂ 7 (в некоторых случаях SiО₂ до 10-15; MgO 7). Температура плавления шлака в зависимости от состава изменяется от 1400 °С (в шлаке 50-55 % СаО; 38-43 % А1₂О₃ и 4,0 % SiО₂) до 1300 °С (в шлаке 6-7 % SiО₂ и 6-7 % MgO) [5].

           При обработке металла синтетическим  шлаком такого состава (высокая  основность и низкая окисленность) протекают процессы:

           2.    Десульфурации. Обычно после обработки шлаком содержание серы в металле снижается до 0,002-0,010 %;

1. Раскисления. В соответствии с законом распределения

                                                                                                                          (1) 

     Поскольку в синтетическом шлаке значение   ничтожно мало, окисленность металла снижается (в 1,5-2,0 раза);

3. Удаление неметаллических включений. В тех случаях, когда

межфазное натяжение на границе капля синтетического шлака – неметаллическое включение  меньше межфазного натяжения на границе металл - неметаллическое включение  , т.е при < , капли синтетического шлака будут рафинировать металл от включений, всплывать вверх, унося с собой неметаллические включения. Соотношение между величинами и зависит от состава включений. Практика показала, что общее содержание неметаллических включений после обработки синтетическим шлаком уменьшается примерно в два раза [31].

     Достоинством  такого технологического приёма, как  обработка стали синтетическим  шлаком, является её кратковременность. Вся операция полностью осуществляется за время выпуска (слива) металла из агрегата в ковш, т.е. за несколько минут: производительность агрегатов при этом не только не уменьшается, но даже возрастает, так как такие технологические операции, как десульфурация и раскисление, переносятся в ковш.

     При проведении операции обработки металла шлаком приходится учитывать ряд моментов:

      1) нежелательность попадания в  ковш, в котором производится обработка, вместе с металлом также и шлака из печи или конвертера;

     2) необходимость введения в ковш  помимо синтетического шлака  также и раскислителей (а при  выплавке легированных сталей  также и легирующих материалов);

     3) изменение в процессе обработки  состава шлака.

     Обработка синтетическим шлаком позволяет  несколько уменьшить 
окисленность металла, однако не настолько, чтобы полностью отказаться от 
применения раскислителей, поэтому помимо шлака в ковш вводится необходимое  количество раскислителей. Учитывая низкую плотность ферросилиция, необходимое его количество загружают на дно ковша ещё до заливки в ковш синтетического шлака. После выпуска плавки на струю падающей в ковш стали присаживают такие материалы, как ферромарганец и феррохром, затем - сплавы, содержащие титан, ванадий, цирконий и т.п. Алюминий вводят в глубь ковша на штангах или в виде проволоки после окончания выпуска плавки.

     В процессе перемешивания металла  со шлаком состав шлака претерпевает определённые изменения. Эти изменения связаны со следующим:

     1. При перемешивании шлак взаимодействует с футеровкой ковша, 
часть футеровки (обычно состоящая из SiО₂ и А1₂О₃) переходит в шлак;

      2. Из металла удаляется и переходит в шлак сера (в виде CaS);

3. Вводимые в ковш раскислители частично окисляются, образуя оксиды (SiО₂, А1₂О3, МnО) и переходят в шлак;
4. Часть конечного шлака обычно попадает в ковш, содержащиеся в конечном шлаке оксиды железа затрудняют протекание процессов раскисления.

     Особенно  опасно попадание в ковш конечного шлака из-за содержащегося в нём фосфора: в процессе раскисления почти весь фосфор, содержащийся в шлаке, восстанавливается и переходит в металл. Разбавление синтетического шлака в результате всех этих процессов может достигать