Особенности выплавки нержавеющей стали в ДСП. Технология плавки переплавом
Украинская Ассоциация Сталеплавильщиков

Особенности выплавки нержавеющей стали в ДСП
Технология плавки переплавом

В настоящее время из нескольких возможных вариантов выплавки наиболее распространенной аустенитной коррозионностойкой стали 9Х18Н9Т— 12Х18Н9Т и ряда аналогичных марок применяют один: плавку методом переплава с использованием газообразного кислорода. Метод переплава позволяет использовать в шихте большое количество отходов высоколегированных сталей и обеспечивает высокое использование легирующих элементов, содержащихся в шихте. Но при переплаве отходов без окисления в дуговых печах происходит науглероживание металла электродами, что вызывает необходимость иметь по расплавлении содержание углерода ниже допустимых пределов в стали. Это ограничивает возможности использования высоколегированных отходов и вынуждает включать в состав шихты определенное количество заготовки специально выплавляемого малоуглеродистого и чистого по фосфору и сере мягкого железа. Включение в состав шихты дорогостоящего мягкого железа увеличивает себестоимость стали. Нецелесообразно также использование высокохромистых отходов и на плавках с окислением, так как условия окисления углерода и хрома таковы, что даже при сравнительно низком содержании хрома (> 1,0 %) трудно окислить углерод, не окисляя при этом хром.

Но сродство к кислороду у хрома и углерода с изменением температуры изменяется неодинаково: с повышением температуры сродство хрома к кислороду уменьшается в большей мере, чем сродство углерода. Таким образом, чем выше температура, тем до более низких концентраций можно окислить углерод (при одном и том же содержании хрома) без окисления хрома.

В процессе обезуглероживания высокохромистого расплава при обычных для сталеплавильной ванны температурах окислить углерод до 0,1 % можно лишь при содержании хрома 3—4% и менее (см. рис. 120). Но уже при 1800°С таких концентраций углерода можно достичь при содержании хрома 8—10 %, а в присутствии никеля и при более высоком его содержании.

Применение при выплавке нержавеющих сталей газообразного кислорода позволяет быстро повысить температуру металла и при высокой температуре окислять углерод. Технология выплавки нержавеющих сталей методом переплава с окислением углерода газообразным кислородом исключает возможность несоответствия содержания углерода в готовой стали заданному и позволяет включать в шихту большое количество высокохромистых отходов. Причем высокое содержание углерода в шихте не затрудняет получения низкоуглеродистого металла, а допустимое содержание хрома в шихте при этом определяется только содержанием углерода в готовой стали и температурой металла в конце продувки. Рекомендуются следующие соотношения:

Предельное содержание углевода в готовом металле, % 0,06 0,08 0,10... 0,12

Расчетное содержание хрома в шихте, % ........................ 9..... 10.. 11–13. 13–15

Для получения 13—15 % Сr в металлической шихте во время завалки в печь дают до 75 % отходов выплавляемой или аналогичной марки стали. Недостающее количество никеля вводят в виде металлического никеля, никелевых сплавов или №0. Если сталь содержит молибден, то недостающее количество молибдена в виде ферромолибдена включают в шихту или в виде молибдата кальция присаживают в конце плавления.

Для защиты хрома от окисления в период плавления и более быстрого повышения температуры ванны при продувке целесообразно содержание 0,7 - 0,9 % Si в шихте. Недостающее количество кремния вводят в виде силикохрома, ферросилиция или отходов кремнистых сталей. Во время завалки желательно вводить 20—25,% отходов трансформаторной стали. Эта сталь содержит 3 - 4 % Si, поэтому вносит необходимое количество кремния, что позволяет отказаться от использования дорогих кремнистых сплавов. Кроме того, трансформаторная сталь содержит мало фосфора, что гарантирует получение в готовом металле заданного содержания фосфора. При отсутствии отходов трансформаторной стали в шихту для разбавления фосфора необходимо включать отходы малофосфористых углеродистых сталей.

Для улучшения дегазации металла во время кипения шихта должна вносить 0,3 % С. При необходимости науглероживания электродный бой или кокс дают на подину перед завалкой. Кроме того, на подину присаживают известь (0,5 - 1,0%) и иногда для уменьшения угара хрома дают хромистую руду (0,5 %).

Плавление ведут при максимальной мощности со снижением ее к концу периода. После расплавления 70 - 80 % шихты начинают продувку ванны кислородом. Это позволяет сократить продолжительность периода плавления и уменьшить расход электроэнергии. Ранняя продувка, когда в печи много нерасплавившейся шихты, может вызывать значительный угар хрома (рис. 12.1), поэтому для уменьшения угара хрома продувку обычно начинают после расплавления 70 - 80 % шихты.

Влияние времени начала продувки кислородом на угар хрома

Рисунок 12.1 Влияние времени начала продувки кислородом на угар хрома

Для ускорения нагрева ванны продувку ведут на включенной печи. За счет тепла экзотермических реакций окисления кремния, хрома и железа и нагрева металла дугами его температура быстро повышается. При определенной температуре, зависящей от содержания в металле хрома и углерода, начинается окисление углерода. Этот момент фиксируется по появлению из печи светящегося пламени. После этого печь отключают, отбирают пробу на полный химический анализ и продолжают продувку ванны до получения необходимого содержания углерода. В процессе продувки металл сильно перегревается и его температура может достигнуть ^1800°С. Высокая температура металла снижает стойкость футеровки, поэтому после окончания продувки ванну быстро раскисляют силикомарганцем или силикохромом и ферромарганцем и присаживают расчетное количество нагретого докрасна феррохрома. Для быстрого охлаждения металла на некоторых заводах дополнительно присаживают до 5 % чистых отходов выплавляемой марки стали. Предварительное глубинное раскисление ванны силикохромом, силикомарганцем и ферромарганцем предотвращает окисление хрома, вносимого феррохромом, и способствует восстановлению хрома из шлака.

К концу продувки шлак содержит, %: Сr2О3 30—45, Мg0 10—25. Высокое содержание тугоплавких оксидов хрома делает шлак гетерогенным, очень вязким и малоактивным.

Для восстановления хрома из шлака его обрабатывают порошками силикохрома или ферросилиция, забрасывают их под электроды, где шлак более жидкоподвижен. Раскисление силикохромом предпочтительнее, так как при этом металл одновременно легируется хромом. Силикохром значительно дешевле безуглеродистых сортов феррохрома, поэтому легирование хромом силикохрома целесообразнее. В результате раскисления кремнием шлак обогащается кремнеземом. Если по ходу раскисления в шлак не давать дополнительно извести, то в печи формируется кислый шлак с основностью (СаО+Мg0)/SiO2, равной 0,6—0,8. Замедляет процесс восстановления хрома кремнием, поэтому такие шлаки содержат 15— 25 % Сr2О3.

Понизить содержание оксидов хрома в шлаке можно присадками извести: СаО понижает активность кремнезема в шлаке и способствует восстановлению хрома кремнием. Но известь вносит углерод, что увеличивает возможность науглероживания металла в восстановительный период. Кроме того, присадки извести так увеличивают количество шлака, что даже при низком содержании оксидов хрома в шлаке могут явиться причиной значительных потерь хрома со шлаком, поэтому нецелесообразно иметь основность шлака > 1,6. Такие хорошо раскисленные полукислые шлаки содержат < 7 % Сr, что обеспечивает усвоение хрома из шихты ^85 %.

Но полукислый шлак не позволяет удалять серу из металла и окисляет значительное количество титана, присаживаемого в печь, поэтому после тщательного раскисления силикохромом, ферросилицием, а затем силикокальцием или алюминием такой шлак полностью скачивают. Вместо полукислого шлака присадками извести и плавикового шпата в соотношении 4 : 1 наводят высокоосновный восстановительный шлак, под которым производят легирование титаном. Перед присадкой ферротитана шлак обрабатывают порошком алюминия.

Титан имеет меньшую плотность, чем железо, поэтому присадки ферротитана обогащают титаном главным образом верхние слои расплава. Для равномерного его распределения по всему объему ванны требуется тщательное перемешивание металла, осуществляемое на печах малой емкости металлическими гребками вручную, а на крупных печах—при помощи механизма электромагнитного перемешивания. После перемешивания металла в течение 6— 8 мин плавку сливают.

На степень усвоения титана, кроме состава шлака, значительное влияние оказывает температура металла. Высокая температура способствует протеканию эндотермической реакции окисления титана кремнеземом шлака. Чем выше содержание кремнезема в шлаке и температура металла и шлака, тем меньше усвоение титана. Обычно усваивается 45—50 % титана, присаживаемого в печь в виде ферротитана.

Недостатком описанного процесса выплавки нержавеющей стали со сменой шлака являются потери хрома со скачиваемым шлаком. Уменьшить потери хрома со скачиваемым шлаком можно, применяя одношлаковый процесс плавки с выпуском ее под раскисленным шлаком периода продувки. Такой процесс особенно эффективен для крупных (^=100 т) печей, где вследствие малой удельной поверхности ванны при больших ее размерах процесс замедлен, а смена шлака затруднена. Особенности технологии одношлаковым процессом следующие. Расчетное содержание хрома в шихте увеличено на 1—3 % (например, для стали 9Х18Н10Т—12Х18Н10Т с 12 % до 13—15 %). Для уменьшения вязкости шлака во время продувки кислородом в печь присаживают известь. После окончания продувки шлак раскисляют как описано выше, но его не скачивают, под этим шлаком производят выпуск металла из печи. Во время выпуска металл в ковше раскисляют алюминием и легируют титаном. Перемешивание металла и шлака в ковше во время выпуска и раскисления алюминием вызывает частичное восстановление хрома из шлакя. Усвоение хрома увеличивается на 2—4% (абс.), достигая 87—88%. Выпуск под окислительным шлаком делает практически невозможным легирование титаном в печи, поэтому легирование титаном производят в ковше, что обеспечивает его усвоение на 47— 50 %. Плавка без смены шлака вызывает повышение производительности печи примерно на 10 %.

Недостатком плавки нержавеющей стали одношлаковым процессом является неудовлетворительная десульфурация под полукислыми шлаками, поэтому такое проведение плавки возможно при использовании шихты, достаточно чистой по сере.

Эффективным способом понижения угара хрома является технология плавки нержавеющей стали с продувкой металлической ванны в дуговой печи кислородом и аргоном. Кислород вводят через водоохлаждаемую шестисопловую фурму в своде, аргон — через футерованную трубку в рабочее окно. Угол встречи струй кислорода и аргона 50—70 °С. Подачу аргона начинают при концентрации углерода 0,1— 0,2 %. Продувка ванны кислородом продолжается 20— 30 мин, совместная продувка кислородом и аргоном 5—7 мин.

Подача кислорода и аргона в металл вызывает интенсивное перемешивание ванны и более полное развитие реакции окисления углерода. Этому способствует и возможность окисления углерода на поверхности готовых газовых пузырей аргона. В результате этого отношение [Сr]/[С] по ходу процесса увеличивается, приближаясь к равновесному. Угар хрома соответственно уменьшается, а усвоение увеличивается, достигая 89—92 %. Облегчается возможность получения нержавеющей стали с содержанием углерода 0,01— 0.02%.

Для повышения технологических свойств нержавеющие и жаропрочные стали часто легируют малыми добавками РЗМ и бора. Микролегирование РЗМ (0,05—0,3%) и бором (0,005—0,01%) производят вручную на штангах в печи за 2—3 мин до выпуска, в ковше или при разливке присадкой в центровую.

При выплавке аустенитных нержавеющих сталей необходимо получение металла такого химического состава, который обеспечивал бы однородность структуры. Наличие ферритной составляющей а-Fe в аустенитных сталях затрудняет деформацию металла в горячем состоянии. Между тем нержавеющие стали аустенитного класса наряду с аустенитообразующими элементами (никелем и марганцем) содержат в больших количествах элементы (хром, титан, кремний), способствующие образованию феррита. В связи с этим необходимо стремиться к тому, чтобы содержание хрома и титана в стали было ближе к нижнему допустимому пределу. Однако с уменьшением содержания хрома и особенно титана увеличивается склонность стали к межкристаллитной коррозии. В этой связи приходится находить средние решения.