Файл: Строганов, А. И. Производство стали и ферросплавов учебник для металлургических техникумов.pdf

дачи проб в лабораторию элёктросталёплавильные цехи должны быть оборудованы пневмопочтой. В этом случае пробу закладывают в металлический патрон, который вставляется в приемник, и затем сжатым воздухом по трубе доставляется в лабораторию.

Длительность выполнения анализов зависит от элемента и приня­ того метода и колеблется от 2—4 (при определении содержания угле­ рода и серы) до 20 мин и более при определении хрома.

Приготовление пробы из скрапины толчением в ступе занимает 2—3 мин, а сверление стружки из литых неотожженных проб 4— 6 мин. Таким образом, от момента отбора пробы до получения дан­ ных по анализу углерода и серы проходит до 10 мин. При скорости окисления углерода 0,4 %/ч за указанное время окислится около 0,07% С. Это обстоятельство необходимо учитывать при ведении плавки. В настоящее время все шире применяют способы более быст­ рого анализа металла, например при помощи квантометра.

Обычно полный анализ металла (на С, Mn, Si, Р, S, Cr, Ni, Мо) производят по расплавлении. В пробах окислительного периода опре­ деляют обычно содержание углерода, фосфора, серы, хрома и реже других элементов.

Пробы шлака отбирают обычно по расплавлении и в конце оки­ слительного периода. Шлак сливают на чистую металлическую плиту или в специальную форму-сковородку. Проба шлака должна быть однородной, без известковых и других включений. Экспресс-ана­

К тому же расход тепла на нагрев металла в окислительный период относительно небольшой и уменьшается к концу периода. Поэтому подводимую в печь мощность и напряжение на низкой стороне трансформатора необходимо снижать ступенчато (рис. 72, д). Иногда в начале периода, когда присаживают много шлакообразующих, подводимая мощность выше; остальную часть периода ведут при по­ ниженной мощности.

В настоящее время для контроля степени нагрева металла при­ меняют термопары погружения (рис. 77). Термопара состоит из двух проводов различных металлов — термоэлектродов. В качестве термо­ электродов используют вольфрам-молибденовую проволоку диа­ метром 0,5 мм, а также сплавы на основе платины. Например, первый электрод содержит 70% Pt и 30% Rh, второй 94% Pt и 6% Rh.

Перед замером температуры металла ванну перемешивают и печь обесточивают. Термопару необходимо погружать всегда строго в од­ ном и том же месте, например, между первым электродом и порогом, на глубину 200—350 мм от верхней кромки шлака. Перед погруже­ нием термопару выдерживают 3—5 с в печном пространстве для по­ догрева. Результаты измерения температуры металла записываются на диаграмме потенциометра с указанием марки стали, номера

264

плавки, времени замера и номера печи, а затем эти данные переносят на плавильную карту.

В окислительный период температуру металла, как правило, замеряют перед скачиванием окислительного шлака, реже — по расплавлении. В технологических инструкциях оговаривается необ­ ходимая температура металла в зависимости от групп марок стали. Например, оптимальная температура металла при выплавке шари­ коподшипниковой стали ШХ15 в 30-т электропечах завода «Красный

(04Х19Н9, 08Х20Н10 и др.) в этот момент рекомендуется температура металла в пределах 1620—1640° С. В случае отклонения фактической температуры металла от рекомендуемой принимаются меры либо по нагреву ванны (повышением подводимой мощности), либо по ее охлаждению путем понижения мощности или обесточивания печи.

Г Л А В А XXI I

ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД

В конце окислительного периода металл отвечает требуемому составу фактически только по содержанию Р. В нем в этот момент содержится заметно больше серы, чем допускается в готовом металле, поскольку в окислительный период отсутствуют условия для глу­ бокой десульфурации. В кипящей ванне содержание кислорода выше равновесного с данным содержанием углерода. Поэтому в процессе выпуска, разливки и кристаллизации стали в изложнице в ней будет продолжаться реакция окисления углерода: [С] + [О] = СО. Часть пузырей окиси углерода останется в слитке, что приведет к ухудшению качества готового металла. Уменьшение содержания растворенного в металле кислорода достигается раскислением, т. е. введением элементов, химическое сродство которых к кислороду выше, чем углерода и железа.

Глубокую десульфурацию и раскисление металла осуществляют в восстановительный период. Кроме того, в этот период состав ме­ талла доводят до заданного путем присадок легирующих элементов и затем его нагревают до температуры, обеспечивающей нормальную разливку и кристаллизацию слитка.

1. СПОСОБЫ РАСКИСЛЕНИЯ МЕТАЛЛА

Практически раскислить металл можно двумя методами: 1) при­ садкой элементов-раскислителей непосредственно в металл («глу­ бинное» раскисление) и 2) присадкой элементов-раскислителей на шлак («диффузионное» раскисление). При глубинном раскислении раскислители (ферромарганец, ферросилиций, алюминий и т. д.) присаживают в ванну в виде кусков. Реакции раскисления проте­ кают непосредственно в металле. Процесс глубинного раскисления относительно непродолжителен, однако продукты раскисления не­

266

полностью выделяются из металла, часть их остается в готовом ме­ талле, загрязняя его неметаллическими включениями.

В случае диффузионного раскисления элементы-раскислители присаживают на шлак. Окислы железа в шлаке восстанавливаются, и в связи с постоянством при данной температуре коэффициента рас­ пределения кислорода снижается его содержание в металле. Есте­ ственно, что раскислители в этом случае необходимо применять малой плотности, чтобы они не погружались в металл. Таким обра­ зом, при диффузионном раскислении реакции протекают не в металле, а в шлаке, и металл, следовательно, не загрязняется продуктами раскисления. Это основное преимущество диффузионного раскисле­ ния перед глубинным. Другим очень важным преимуществом диф­ фузионного раскисления является более слабое развитие реакции окисления металла шлаком во время и после выпуска металла из печи. Этим, в частности, объясняется незначительный угар легирую­ щих элементов и раскислителей в электропечах по сравнению с мар­ теновскими печами и кислородными конвертерами, где диффузион­ ное раскисление не применяют.

Отрицательными сторонами диффузионного раскисления являются: 1) уменьшение производительности печи; 2) снижение стойкости откосов и подины, особенно при раскислении шлака кремнием, так как образующийся кремнезем взаимодействует с основной футеров­ кой; 3) восстановление фосфора из шлака в металл, что вызывает необходимость тщательного удаления окислительного шлака; 4) повышенный расход раскислителей и необходимость их измельче­ ния; 5) сложность осуществления герметизации печей, особенно пе­ чей большой емкости, для исключения подсоса воздуха.

Несмотря на отмеченные недостатки диффузионного раскисления, его преимущества, связанные с возможностью получать хорошо рас­ кисленный металл с низким содержанием серы и неметаллических включений, столь очевидны при производстве качественной и высо­ кокачественной стали, что этот способ находит широкое распростра­ нение при выплавке стали в электропечах.

При раскислении и легировании стали одновременно протекает ряд физико-химических процессов. Поэтому необходимо выбрать такие раскислители и легирующие, при присадке которых в жидкий металл будут протекать процессы повышения качества готового металла. Кроме требований, приведенных в гл. XVIII, к элементамраскислителям и легирующим добавкам предъявляют следующие требования с учетом физико-химических процессов раскисления и легирования металла:

1. Как было отмечено выше, одной из задач восстановительного периода является снижение содержания растворенного в жидком

к кислороду.

Для легирующих элементов желательно, чтобы они имели мини­ мальное сродство к кислороду, так как в этом случае обеспечивается наименьший угар легирующих элементов. Однако это пожелание

267

в ряде случаев не выполнимо, поскольку некоторые элементы-рас- кислители, например кремний, алюминий и др., одновременно мо­ гут быть и легирующими элементами.

2. Продукты раскисления должны быстро удаляться из металла при глубинном раскислении. Многолетняя практика выплавки стали во всех сталеплавильных агрегатах убедительно показывает, что жидкие включения легко сливаются и укрупняются, а вынесенные к поверхности раздела металл—шлак затем быстро растворяются

вшлаке.

3.Для обеспечения низкого содержания растворенного кислорода

вметалле остается некоторое количество элемента-раскислителя, способное оказывать то или иное влияние на свойства готовой стали. Поэтому желательно выбрать такой элемент-раскислитель, который оказывает благоприятное влияние на свойства стали.

Содержание легирующих элементов в готовой стали колеблется от 0,002—0,005% для бора до нескольких десятков процентов для хрома, никеля и т. д. Для каждой конкретной марки стали устанав­ ливается оптимальное содержание легирующего элемента.

4.Для ускорения расплавления введенного в жидкий металл легирующего и снижения затрат на его расплавление ферросплав

должен иметь относительно низкую температуру плавления. В табл. 44 приведены температура плавления и плотность некоторых ферросплавов.

Как видно, обычно применяемые раскислители (ферромарганец, ферросилиций, алюминий) имеют температуру плавления ниже тем­ пературы плавления железа, что облегчает их растворение в жидком металле. Особое место занимают углеродсодержащие материалы, кото­ рые практически не плавятся, а при температуре выше 3000—3500° С начинают возгонятся, однако углерод растворяется в металле. В то же время такие ферросплавы, как ферровольфрам, имеют очень

268

высокую температуру плавления и большую плотность. Поэтому для равномерного распределения вольфрама в объеме металла необходимо продолжительное время выдерживать металл в печи и обеспечивать хорошее его перемешивание.

5. При глубинном раскислении, а также при легировании сплавы должны погружаться в металл. Поэтому плотность раскислителей для глубинного раскисления и сплавов для легирования должен быть больше плотности жидкого металла, т. е. больше 7,0 г/см3. Низкопроцентные ферросилиций, ферромарганец, ферротитан, фер­ рохром и некоторые другие ферросплавы достаточно плотные. В то же время алюминий, широко используемый для глубинного раскис­ ления, имеет малую плотность. Его приходится погружать путем прикрепления чушек к штангам.

Следует иметь в виду, что мелкоизмельченные ферросплавы, даже имеющие большую плотность, не могут пройти через шлак в металл. Поэтому для глубинного раскисления необходимо приме­ нять кусковые раскислители.

При диффузионном раскислении плотность раскислителя должна быть меньше плотности жидкого шлака (меньше 3,5 г/см3). Таким

2.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСКИСЛЕНИЯ

ИЛЕГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛА

Процессы раскисления преследуют прямо противоположную задачу окислительным процессам, получающим развитие в период плавления и в окислительный период. В восстановительный период в ванну вносятся элементы-раскислители для снижения содержания растворенного в металле кислорода. Физико-химическая сторона процесса взаимодействия растворенного кислорода и примеси в обоих случаях остается одинаковой и процесс описывается одними и теми же химическими реакциями. Например, окисление кремния и мар­ ганца, так же как и раскисление металла этими элементами, можно описать соответственно реакциями:

[Si] + 2 [О] = (SiOa) и [Мп] + [О] = (МпО).

Аналогичные процессы протекают и при легировании металла, если легирующий элемент обладает достаточно большим сродством к кислороду. Количественная оценка сродства элементов к кисло­ роду может быть произведена по величине изменения изобарно­ изотермического потенциала ДZT\ чем меньше значение AZr , тем прочнее образующийся окисел, тем больше сродство элемента к ки­ слороду. Следует иметь в виду, что некоторые элементы в зависимо­ сти от их содержания в металле образуют различные окислы. При этом чем выше содержание элемента-раскислителя в металле, тем меньше относительная доля кислорода в образующемся окисле. Например, при увеличении содержания в металле кремния состав

269