Обработка металла под давлением

     На  опытных плавках вследствие уменьшения угара расход раскислителей (ферромарганца, ферросилиция и алюминия) уменьшился соответственно на 0,42; 0,44 и 0,04 кг/т стали [57]. 
 
 

2.   Исследования по  введению раскислителей  в металл и влияние  вводимых элементов  на качество стали

     Условия проведения операции раскисления при плавке стали в плавильных агрегатах весьма неблагоприятны, так как, помимо кислорода, растворённого в жидком металле, с раскислителями в момент их ввода в металл взаимодействует кислород газовой фазы. Кроме того, проходя через шлак, раскислители взаимодействуют с оксидами железа шлака. При выпуске металла в ковш струя металла взаимодействует с атмосферой. То же самое происходит, когда струя металла выходит из ковша при разливке стали [25]. В результате определённая часть раскислителей (иногда весьма значительная) расходуется не на взаимодействие с кислородом, растворённым в металле. Эта часть окислившихся не по прямому назначению раскислителей называется угаром раскислителей. Современные средства контроля плавки не позволяют с достаточной точностью предсказать заранее величину угара раскислителей, эта величина от плавки к плавке может колебаться в заметных пределах, что затрудняет получение стали строго определённого состава. Значительный угар элементов нежелателен и из чисто экономических соображений.

     Для снижения угара раскислителей  и получения стали строго определённого состава используют ряд технологических приёмов. Вводят раскислители различного состава:

   а) в чистом виде;

   б) в виде сплавов с железом  и друг с другом. 
Изменяют место ввода раскислителей:

   а) непосредственно в плавильный  агрегат;

   б) в струю металла, вытекающего  из плавильного агрегата;

   в) в глубь металла в сталеразливочном  ковше;

   г) в струю металла, вытекающего  из сталеразливочного ковша;

   д) в ковш, помещённый в вакуумную  камеру. 
 

Вводят  раскислители в различном виде:

   а) твёрдые (в виде кусков  различных размеров);

   б) жидкие (после предварительного  расплавления);

   в) порошкообразные (при вдувании  порошка в металл струёй инертного 
газа);

   г) в виде специальной проволоки,  подаваемой в глубь металла  с определённой скоростью;

   д) в виде "пуль", которые  с помощью специального устройства  «выстреливают» в глубь металла.

     Угар  раскислителей, вводимых в чистом виде, несколько выше, чем угар раскислителей, вводимых в виде сплава. Чистые раскислители дороже, однако расход их меньше, меньше требуется тепла на их расплавление (необходима меньшая степень перегрева металла), они не содержат нежелательных примесей.

     Наибольший  и наименее стабильный угар раскислителей  имеет место в случае введения раскислителей в виде кусков непосредственно  в плавильный агрегат.

     Введение  раскислителей непосредственно в плавильный агрегат называется "предварительным раскислением". Окончательным раскислением принято называть введение раскислителей в необходимом количестве частично в струю металла, вытекающего из плавильного агрегата, и частично непосредственно в ковш.

     Угар  раскислителей при введении их в  ковш ниже, чем при введении их в  печь, так как в последнем случае часть раскислителей взаимодействует  не с металлом, а со шлаком. Однако и при введении раскислителей  в ковш угар всё же велик. Особенно заметен при введении в ковш угар алюминия. Алюминий легче стали (плотность 2700 кг/м³), поэтому заброшенные на струю металла или непосредственно в ковш бруски алюминия всплывают и интенсивно окисляются, плавая на поверхности и взаимодействуя с атмосферой и со шлаком [10]. Значительное количество алюминия при этом расходуется нерационально. Кроме того, образующиеся в большом количестве оксиды могут загрязнять металл. Лучшие результаты достигаются при вводе алюминия непосредственно в толщу металла. Ввод алюминия в глубь металла обеспечивает уменьшение угара алюминия (снижается его расход), уменьшение разброса величин этого угара (стабильность состава и свойств металла), а также уменьшается загрязнённость стали оксидными неметаллическими включениями.

     Кремний - элемент, легко окисляющийся. Окисление кремния, растворённого в металле, может происходить в результате его взаимодействия:

1. с кислородом, растворённым в металле;
2. с кислородом газовой фазы;
3. с оксидами железа шлака.

     Во  всех случаях при окислении кремния выделяется значительное количество тепла.

     В агрегатах с основными шлаками  реакция окисления кремния протекает практически до конца, так как образующийся кремнезём взаимодействует с основными оксидами и активность в основных шлаках ничтожно мала.

     Чем ниже будет активность оксидов железа в шлаке, тем дальше пойдёт процесс  восстановления кремния. Такие компоненты расплава, как углерод или марганец, понижают окисленность и металла  и шлака и повышают степень восстановления кремния. FeO - основной оксид, в кислых шлаках. Он связан с кремнезёмом в силикаты железа и его активность мала. Если же в шлак ввести более сильный основной оксид, например СаО, то этот оксид будет разрушать силикаты железа, образуя силикаты кальция, и активность оксидов железа в шлаке возрастёт, соответственно затормозится процесс восстановления кремния [21]. Если в ванну интенсивно подаётся окислитель, то имеет место окисление железа, и в металле остаются лишь следы кремния. 

     Сера  обладает неограниченной растворимостью в жидком железе и ограниченной в твёрдом. При кристаллизации стали по границам зёрен выделяются застывающие в последнюю очередь сульфиды железа. Железо и сульфид железа образуют низкоплавкую эвтектику (температура плавления   988 °С), которая при наличии кислорода (образование оксисульфидов) плавится при ещё более низких температурах [58].

     Межзёренные прослойки (обычно на микрошлифе они  выглядят в виде нитей) фазы, богатой  серой, при нагревании металла перед  прокаткой или ковкой размягчаются и сталь теряет свои свойства, происходит разрушение металла (красноломкость). Красноломкость особенно сильно проявляется  в литой стали, так как сульфиды в этом случае скапливаются по границам первичных зёрен; если сталь хотя бы однократно подвергалась горячей деформации, то вследствие измельчения зерна и образования при деформации новых зёрен красноломкость проявляется в гораздо меньшей степени. Однако и в этом случае стремятся получить в стали минимум серы, так как вредное влияние серы на механические свойства заметно, особенно в направлении поперёк оси прокатки или ковки [58, 59].

     Повышенное  содержание серы приводит к появлению  так называемых "горячих трещин", особенно, при непрерывной разливке стали [25]. Поэтому в большинстве  случаев удаление из металла серы является одной из главных задач  при производстве качественной стали.

     В соответствии с константой равновесия для удаления серы из металла необходимо [5, 25]:

     а) высокая активность СаО в шлаке;

     б) низкая активность FeO в шлаке;

     в) низкая активность серы в шлаке.

     Поскольку реакция идёт на границе металл-шлак, то чем больше поверхность контакта металла со шлаком (чем выше степень перемешивания), тем полнее и быстрее протекает процесс удаления серы из металла. Условия протекания реакции при этом облегчаются также благодаря поверхностной активности серы. 

     Основными условиями, необходимыми для успешного проведения операции десульфурации, являются:

1. высокая активность СаО в шлаке;
2. низкая активность оксидов железа в шлаке;
3. низкая активность кислорода в металле (раскисленность металла);
4. малая активность (низкое содержание) серы в шлаке;
5. высокая температура;
6. большая площадь контакта металла с десульфурирующим шлаком.

     Для обеспечения этих условий используют следующие технологические приёмы:

1. вводят добавки извести (CaO) или известняка ();
2. для получения активного жидкоподвижного шлака и повышения тем самым активности СаО в шлак вводят добавки, снижающие его вязкость (А1₂О₃, CaF₂, МnО и др.). Эти добавки ускоряют протекание процесса ошлакования введённых кусков извести;
3. проводят скачивание шлака с последующим наведением нового, не содержащего серы;
4. стремятся использовать для целей десульфурации те периоды плавки, в которые металл максимально нагрет. При высокой температуре ванны энергично окисляется углерод и активность оксидов железа в шлаке понижается, при этом улучшаются условия перемешивания металла со шлаком; при высокой температуре возрастает интенсивность диффузионных процессов и облегчаются условия диффузии серы из объёма металла к поверхности контакта со шлаком;
5. металл обрабатывают жидкими или твёрдыми синтетическими шлаками и шлаковыми смесями с высокой и низкой ;
6. в некоторых случаях, когда хотят получить сталь с особо низким содержанием серы, вдувают в металл в струе инертного газа высокоосновные шлаковые смеси (СаО + CaF₂), а в особых случаях - такие компоненты, как карбид кальция СаС₂ или другие сплавы, содержащие Са или даже чистый кальций (а также магний);
7. используют для десульфурации редкоземельные металлы (церий, лантан, неодим и др.);
8. используют шихту, чистую по сере.

          Вопрос грануляции металлов и сплавов в научной литературе разработан недостаточно полно, но были встречены следующие технологии.

     БелНИИлит разработал серию машин для производства литой дроби. Принцип действия машины заключается в использовании центробежных сил [30]. Расплав заливается через воронку на тарельчатый гранулятор, вращающийся вокруг вертикальной оси. При этом капли расплава слетают с гранулятора, формируются в дробинки и попадают в охлаждающую жидкость. Охлаждённые дробинки скатываются по дну бака, в который заключён гранулятор, в приёмник наклонного элеватора.

     Затем дробь поднимается элеватором при  одновременном обезвоживании из бака машины и транспортируется в приёмный бункер.

     Монтируется машина в цехе, напольно, то есть не требует специального помещения, легко вписывается в производство с привязкой к имеющимся коммуникациям и оборудованию.

     Машиной может управлять один оператор с  пульта управления в наладочном режиме. Фракционный состав производимой дроби меняется за счёт изменения скорости вращения тарелки гранулятора, которая в свою очередь регулируется сменными шкивами привода вращения гранулятора. Специальная система блокировок обеспечивает безопасность обслуживания машины.

     Процесс формирования частиц имеет ряд особенностей: время полёта жидкой частицы от торца  тарельчатого гранулятора до поверхности  водяной завесы на стенках бака машины не должно быть меньше времени её сфероидизации, иначе формируются дробинки вытянутой формы [60]. К вытянутой форме гранул приводит снижение времени пребывания частиц в жидком состоянии вследствие образования на их поверхности плёнки тугоплавких оксидов (например, Аl2О3), резко повышающих вязкость капли и, тем самым, её сопротивление принятию округлой формы.

        Охлаждающая жидкость - 0,03 % раствор  двухромовокислого натрия NaCr₂О₃ [61].

     Основной  параметр машины - диаметр бака - 2000-2200 мм ГОСТ 11964-89 [8] и частота вращения грануляторов 600-1000 , частота вращения крыльчатки 30  [61].

     Л.А. Мудрук и С.С. Затуловский предложили технологию, позволяющую получать литую дробь как для нужд литейного производства, так и для других областей применения, основанную на высокопроизводительном методе диспергирования струи жидкого металла потоком энергоносителя (воздуха, воды) с последующей сфероидизацией распыленных частиц в воздушной среде и окончательным затвердеванием в водяной ванне. Извлечённая дробь подаётся в сушилку, а дальше на вибросито [33].