Внепечная обработка стали без использования вакуума
Во второй половине ХХ столетия в сталеплавильном производстве наблюдалась устойчивая тенденция к выполнению максимально возможного количества операций рафинирования металла в сталеразливочном ковше. Это позволяло увеличить производительность основных металлургических агрегатов, понизить себестоимость стали и улучшить ее качество.
Основные способы внепечного рафинирования стали можно разделить на две группы: внепечная обработка без использования вакуума и внепечное вакуумирование стали.
В конце 50-х годов прошлого столетия отечественные металлургические предприятия начали широко использовать для десульфурации стали обработку в сталеразливочных ковшах синтетическими шлаками. Синтетические шлаки выплавляли в электропечах, циклонных плавильных установках и других агрегатах. Непосредственно перед выпуском плавки жидкий шлак в необходимом количестве сливали в сталеразливочный ковш, который подавали под выпуск. В процессе выпуска струя падающего в ковш металла эмульгирует шлак и металл с последующим разделением взаимодействующих фаз. В результате эмульгирования резко увеличивается площадь поверхности раздела металл-шлак и скорость протекающих между ними химических реакций. Результаты обработки определяются высотой падения струи металла, массой металла и шлака, физическими характеристиками и составом шлака и др. Обычно при расходах синтетического шлака 30 – 50 кг/т такая обработка позволяет в ходе выпуска плавки получать степень десульфурации стали равную 30 – 70%. При этом наиболее эффективная десульфурация металла наблюдается при выпуске плавки из крупнотоннажных агрегатов.
Первоначально для внепечной десульфурации стали были разработаны известково-глиноземистые шлаки состава, % мас.: 50 – 55 CaO, 37 – 43 Al2O3, < или = 7 SiO2, < или = 7 MgO, < или = 0,5 FeO, для выплавки которых требовались дефицитные шихтовые материалы с низким содержанием кремнезема. Впоследствии была показана возможность эффективной десульфурации стали известково-шамотными шлаками состава, % мас.: 48 – 56 CaO, 6 – 10 MgO, 18 – 22 SiO2, 12 – 16 Al2O3, 0,5 CaF2, < или = 0,5 FeO.
Широкое использование синтетических шлаков сдерживалось отсутствием возможности размещения в существующих сталеплавильных цехах оборудования для их выплавки. В связи с этим была разработана технология десульфурации стали в ковше самоплавкими шлаковыми смесями состава, % мас.: 12 – 14 алюминиевый порошок или алюминиевая стружка; 21 – 24 натриевая селитра; 20 – флюоритовый концентрат; известь – остальное. Необходимое количество самоплавкой шлаковой смеси загружали в чугуновозный ковш и поджигали. Полученный таким способом жидкий шлак переливали из чугуновозного ковша в сталеразливочный, который подавали под выпуск.
Использование самоплавких шлаковых смесей существенно упростило технологию получения синтетических шлаков. Однако, технология подготовки самоплавких шлаковых смесей требовала высокой культуры производства и строгого соблюдения норм пожарной безопасности. После нескольких крупных пожаров в отделениях подготовки смесей металлургические предприятия СССР отказались от их использования.
В настоящее время для внепечной десульфурации стали успешно используют твердые шлакообразующие смеси из 10 – 30% плавикового шпата и извести, а также смеси извести с плавиковым шпатом и глиноземом. Твердую шлакообразующую смесь вместе с раскислителями и легирующими загружают в сталеразливочный ковш по ходу выпуска плавки, при этом плавление смеси обычно завершается в течение 1 – 2 минут.
Особенность этой технологии заключается в том, что формирование жидкого шлака обычно завершается во время наполнения второй половины ковша, когда мощность перемешивания стали и шлака падающей в ковш струей металла значительно уменьшается. По этой причине при выпуске плавки десульфурирующая способность ковшевого шлака используется далеко не полностью. Для более полного использования рафинирующей способности шлака целесообразно проводить дополнительное перемешивание шлака и металла продувкой в ковше аргоном как во время выпуска плавки, так и после его завершения.
Сократить время, необходимое для формирования гомогенного жидкого ковшевого шлака, и повысить эффективность десульфурации стали на выпуске из сталеплавильного агрегата позволяет применение предварительно переплавленных легкоплавких шлаковых смесей. Примером таких смесей может служить рафинирующая смесь ИРС-2, производство которой освоено ОАО «НПП «Техмет» (г. Донецк), состава, % мас.: < или = 3 C, 53 – 60 CaOобщ, < или = 6 MgO, < или = 16 SiO2, 4 – 8 F, 4 – 6 (Na2O + K2O), 10 – 18 Al2O3, < или = 0,5 S, < или = 1,5 P2O5, < или = 2 MnO, < или = 3 FeO. Основность смеси, рассчитанная как отношение концентраций CaO и SiO2, обычно составляет не менее 3,5. Температура плавления смеси не превышает 1320 – 1350оС.
В начале 60-х годов ХХ столетия в металлургии начали широко применять аргон. Продувку металла аргоном используют для усреднения химического состава и температуры стали в ковше, удаления неметаллических включений, перемешивания металла с ковшевым шлаком для повышения скорости протекающих между ними химических реакций. При вакуумировании стали дополнительная продувка расплава аргоном дает возможность значительно увеличить эффективность дегазации и обезуглероживания металла.
В промышленных условиях широко применялись следующие способы подачи аргона в металл: через пористые огнеупорные вставки в днище ковша; через ложный стопор, который заканчивался огнеупорной пробкой с радиально расположенными отверстиями диаметром 0,5 – 1,0 мм; через футерованную фурму, погружаемую в металл сверху; через фурму, установленную в разливочном канале шиберного затвора.
В настоящее время наибольшее распространение получили способы продувки металла аргоном через пористые огнеупорные пробки в днище ковша, имеющие открытую пористость в пределах 25 – 40%, и через погружаемую в расплав сверху футерованную фурму. В последние годы для подачи аргона через днище ковша широко используют огнеупорные блоки с направленной пористостью, в которых в теле огнеупора выполнены вертикальные каналы для прохождения газа диаметром 0,6 – 1 мм, щелевые, звездообразные (рис. 1.1) и др.
Рис. 1.1. Звездообразная продувочная пробка фирмы RHI
Продувочные блоки изготавливают из качественных высокоглиноземистых или основных огнеупоров. Для футеровки фурм обычно используют алюмосиликатные и высокоглиноземистые материалы, содержащие свыше 75% глинозема. В некоторых случаях используют комбинированную футеровку фурм: в зоне шлакового пояса устанавливают циркониевые огнеупоры, остальное – алюмосиликатные или высокоглиноземистые.
Аргон также широко использовали для инжектирования в металл порошкообразных материалов с целью раскисления, науглероживания, легирования и десульфурации стали. Наиболее широкое распространение получили технологии внепечной десульфурации стали продувкой порошкообразной известью, а также смесями извести с плавиковым шпатом, алюминием, магнием, предварительно переплавленными высокоосновными шлакообразующими смесями и др.
В 70-х годах ХХ столетия получила широкое распространение технология внепечной десульфурации стали с использованием продувки сплавами и химическими соединениями кальция (карбидом кальция, силикокальцием и др.).
В конце 70-х годов прошлого столетия была разработана технология ввода порошкообразных материалов в металл с использованием порошковой проволоки, широкое применение которой на отечественных предприятиях началось в 90-е годы.
В связи с увеличением объемов стали, разливаемой на МНЛЗ методом «плавка на плавку», получили распространение установки комплексной доводки стали в ковше (УДМ, LTS), которые позволяли выполнять разнообразные технологические операции с целью корректировки температуры и химического состава металла, модифицирования и микролегирования стали с использованием кусковых и порошкообразных материалов. Примером может служить УДМ в 350-т ковшах кислородно-конвертерного цеха металлургического комбината «Азовсталь», схема которой показана на рис. 1.2.
Рис. 1.2. Схема оборудования УДМ кислородно-конвертерного цеха комбината «Азовсталь»: 1 – стенд; 2 – сталеразливочный ковш; 3 – бухта алюминиевой катанки или порошковой проволоки; 4 – манипулятор для отбора проб металла; 5 – трайб-аппарат; 6 – пневмопочта; 7 – вытяжной зонт; 8 – система бункеров-дозаторов; 9 – бадья для кусковых материалов; 10 – контейнер для порошков; 11 – пневматический питатель; 12 – трубопровод с переключателями потоков; 13 – подъемник фурмы; 14 – фурма; 15 – отвод отходящих газов; 16 – газоочистка; 17 – дымовая труба
Последовательное выполнение большого количества операций по доводке стали в ковше требовало значительного повышения температуры металла на выпуске из сталеплавильного агрегата, что приводило к росту потерь металла, ухудшению условий дефосфорации стали в заключительном периоде плавки, повышению окисленности шлака и снижению стойкости футеровки сталеплавильного агрегата, высокой окисленности металла на выпуске, которая вызывала повышенный угар раскислителей и легирующих добавок, а также нестабильное их усвоение, и др.
Чтобы избежать чрезмерного перегрева стали на выпуске из сталеплавильного агрегата требовалось оборудование, которое позволяло бы осуществлять периодический нагрев металла в ковше. Первой промышленной технологией, которая позволяла выполнять разнообразные операции внепечной обработки стали с периодическим электродуговым нагревом металла в ковше при атмосферном давлении, был разработанный в 1965 г. в Швеции процесс ASEA – SKF.
В процессе ASEA – SKF ковш с металлом во время обработки располагался на металловозной тележке, оборудованной одним или двумя индукторами системы электромагнитного перемешивания. Индуктор системы электромагнитного перемешивания совместно с ковшом и относящимся к нему электрооборудованием показан на рис. 1.3. В системе электромагнитного перемешивания индуктор выступает в качестве статора электродвигателя, ротором которого служит расплавленная сталь. Многофазный ток, протекающий по обмоткам статора, индуцирует в металлическом расплаве бегущее магнитное поле, приводя к возникновению в ковше циркуляционных потоков металла. В местах примыкания к индуктору кожух ковша изготавливали из аустенитной (немагнитной) стали, чем устранялось экранирование магнитного поля. Чтобы магнитное поле достаточно глубоко проникало в металлический расплав, индуктор питался электрическим током частотой 1 – 2 Гц.
Установки ASEA – SKF имели стенд электродугового нагрева, в состав которого входили также бункера и взвешивающие устройства системы подачи ферросплавов, и вакуумный стенд, оборудованный крышкой, соединенной с вакуумными насосами. Для герметизации при вакуумной обработке ковш имел водоохлаждаемый фланец с прорезиненной прокладкой. В процессе обработки на установках ASEA – SKF ковш на металловозной тележке периодически перемещался от стенда электродугового нагрева к вакуумному стенду и обратно.
Процесс ASEA – SKF требовал достаточно сложного оборудования. Поэтому его использовали преимущественно в электросталеплавильных цехах при обработке металла в ковшах малого и среднего тоннажа.
Рис. 1.3. Схема оборудования для электромагнитного перемешивания металла в ковше установки ASEA – SKF: 1 – индуктор; 2 – водоохлаждаемые кабели; 3 – щит контрольно-измерительных приборов; 4 – низкочастотный тиристорный преобразователь; 5 – трансформатор
В 1971 г. в Японии был разработан процесс LF (Ladle Furnace – ковш-печь). При разработке этой технологии оборудование для рафинирования и нагрева металла в ковше существенно упростили путем отказа от использования вакуумного стенда и замены системы электромагнитного перемешивания продувкой металла в ковше аргоном. Установки ковш-печь (УКП), получившие широкое распространение в современных сталеплавильных цехах, позволяют периодически выполнять электродуговой нагрев металла в ковше со скоростью до 3 – 5оС/мин.
В конце 70-х годов ХХ столетия были также разработаны технологии химического нагрева металла в ковше за счет тепла, выделяющегося при окислении введенного в расплав алюминия газообразным кислородом (процессы CAS-OB, IR-UT и др.). Использование этих технологий дает возможность увеличить скорость нагрева металла до 10 – 15оС/мин.