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

состоянии и легко удаляются из металла. Очевидно, что концентра­ ции кремния и марганца в стали при раскислении желательно иметь

Рис. 81. Равновесное содержание кислорода в зависимости от содержания кремния при 0 ,50% Мп и при различной температуре:

1 — 1650° С; 2 — 16000 С; 3 - 1550° С

274

Например, при содержании 0,5% Мп в металле при 1600° С со­ держится 0,050% О, в присутствии того же количества кремния лишь 0,0075% О. При одновременном раскислении 0,5% Si и 0,5% Мп содержание кислорода снижается до 0,007%.

Повышение раскислительной способности элементов и улучшение характера продуктов раскисления обеспечивает широкое при­ менение комплексного раскисления стали.

5. ДИФФУЗИОННОЕ РАСКИСЛЕНИЕ

Восстановительный период электроплавки проводят под мало­ железистым, как правило, высокоизвестковистым шлаком, добиваясь низкого содержания FeO в шлаке. В зависимости от заданного со­ става стали диффузионное раскисление металла в восстановительный период проводят под белым или карбидным шлаком. Под белым шла­ ком выплавляют конструкционные стали с содержанием углерода ниже 0,35%, под карбидным шлаком средне- и высокоуглеродистые стали.

Иногда рафинирование металла в восстановительный период про­ водят под известково-глиноземистым, известково-шамотным или ма­ гнезиально-глиноземистым шлаками.

Раскисление под белым шлаком. После скачивания окислительного шлака в ванне наводят шлак из извести и плавикового шпата в соот­ ношении 8 : 2 и в количестве 2—4% от массы металла. Жидкопод­ вижный шлак образуется через 10—15 мин и на него задают восста­ новительную смесь из извести, плавикового шпата и молотого про­ сеянного кокса или древесного угля с размером частиц не более 0,5—1,0 мм в соотношении 8 : 2 : 1.

В результате раскисления шлака углеродом кокса содержание FeO в нем примерно через 40 мин снижается до 1,5%, и проба шлака после остывания принимает серый цвет вместо черного в начале восстановительного периода, когда в шлаке содержится относительно много окислов железа.

Из-за опасения науглероживания металла дальнейшее его рас­ кисление проводят кремнием. В шлаковую смесь вводят мелкоизмельченные ФС45 и ФС75. Состав шлаковой смеси следующий: четыре части извести, одна часть плавикового шпата, одна часть кокса и одна часть ферросилиция. Раскисление шлака кремнием длится примерно 20 мин. Около 50% Si, вводимого на шлак ферро­ силицием, усваивается металлом.

Раскисление шлака кремнием иногда производят с начала вос­ становительного периода, что устраняет науглероживание металла. Однако содержание кремния в металле возрастает, он реагирует с растворенным в металле кислородом и образующиеся продукты раскисления частично остаются в металле. Поэтому загрязненность металла неметаллическими включениями при такой технологии мо­ жет возрасти.

Белый шлак имеет обычно следующий состав: 55—65% СаО, 10—20% S i0 2, до 1% FeO,—0,4% МпО, 16—12% MgO, 2—3% А120 3 5—10% CaF2, — 1% CaS. Проба белого шлака при остывании рассы­

пается, что связано с присутствием в нем силиката кальция 2Ca0Si02, который при 675° С меняет свою модификацию, увеличи­ ваясь при этом в объеме.

Для получения относительно раскисленного металла необходимо выдерживать металл под белым шлаком около 1 ч, периодически при­ саживая некоторое количество раскисляющей смеси с коксом или ферросилицием. Хороший белый шлак пенится в печи, густой шлак затрудняет нагрев металла и протекание диффузионных процессов. Поэтому необходимо непрерывно поддерживать нормальную конси­ стенцию шлака, своевременно увеличивая в смеси количество пла­ викового шпата.

Иногда загущение шлака вызывается повышением содержания MgO в шлаке за счет срыва откосов или подины. В этом случае шлак необходимо скачать и завести новый. Жидкий шлак исправляют присадкой извести.

Раскисление под карбидным шлаком. При проведении восстанови­ тельного периода под карбидным шлаком металл в начале покрывают шлаковой смесыо того же состава, как и при раскислении под белым шлаком. После образования равномерного слоя жидкоподвижного шлака в печь дают «карбидную смесь» из извести, плавикового шпата

и молотого кокса в соотношении 3 : 1 : 1 . Общее количество шлака

ввосстановительный период составляет около 4% в крупных элек­ тропечах и около 7—8% в малотоннажных.

Карбид кальция образуется в зоне дуг с большим поглощением тепла. Поэтому печь хорошо уплотняется и к ней подводится повы­ шенная мощность. Печь не открывается в течение 20—30 мин. Внеш­ ним признаком образования карбидного шлака является выбива­ ние из-под заслонок черного дыма.

Карбид кальция из зоны дуг разносится по всему объему шлака. Он является сильным раскислителем, взаимодействуя с FeO по реак­ ции (ХХП-2). Карбид кальция частично восстанавливает кремний из окиси кремния шлака. Поэтому в процессе раскисления металла карбидным шлаком на 0,05—0,10% возрастает содержание кремния в металле. Карбидный шлак плотно прилипает к ложке, а при зама­ чивании ошлакованного инструмента в воде чувствуется специфи­ ческий запах ацетилена.

Раскисление под карбидным шлаком продолжается не менее 1 ч.

Для поддержания в шлаке необходимого содержания карбида каль­ ция в печь периодически задают молотый кокс с известью и плавико­ вым шпатом, если необходимо уменьшить вязкость шлака.

Существенным недостатком ведения плавки под карбидным шла­ ком является заметное науглероживание металла в печи и во время выпуска, а также прилипание карбидного шлака к металлу, что при­ водит иногда к появлению в готовом металле относительно крупных шлаковых включений. Для устранения этого явления карбидный шлак примерно за 30 мин до выпуска переводят в белый. С этой целью в печь присаживают известь с плавиковым шпатом, при этом увеличивается общее количество шлака и снижается содержание в нем карбида кальция. Иногда дополнительно открывают рабочее

276

Основное отличие карбидного шлака от белого по составу состоит

внесколько более низком в первом шлаке содержании окислов железа

имарганца, а также наличии в нем карбида кальция.

Раскисление под известково-глиноземистым шлаком. При вы­ плавке нержавеющих и им подобных сталей диффузионное раскис­ ление металла в восстановительный период проводят под извест­ ково-глиноземистым или шамотным шлаком. В этом случае устра­ няется возможность науглероживания металла. Например, на Зла­ тоустовском металлургическом заводе после скачивания окислитель­ ного шлака наводится новый шлак из извести и отработанного флюса электрошлакового производства (~60% CaF2 и 40% А120 3) в соот­ ношении 2 : 1 в количестве около 2% от веса металла. Для раскис­ ления известково-глиноземистого шлака применяются порошко­ образные ферросилиций, алюминий и силикокальций.

6. УДАЛЕНИЕ СЕРЫ, ПОВЕДЕНИЕ ГАЗОВ

Присутствие серы в стали сопровождается образованием при кри­ сталлизации сульфидных включений, располагающихся по границам зерен и характеризующихся относительно низкой температурой плав­ ления. При нагревании стали под механическую обработку (ковку или прокатку) до температуры 1200—1300° С сульфидные включения расплавляются, связь между зернами, нарушается, что приводит к появлению рванин. Сталь становится красноломкой. Поэтому при выплавке стали принимаются меры по максимальному снижению содержения серы в металле. В восстановительный период электро­ плавки созданы наиболее благоприятные условия для удаления серы.

В общем виде процесс удаления серы из металла в шлак в вос­ становительный период с позиций молекулярного строения шлака описывается уравнениями:

Реакции (XX11-6) и (ХХП-7) в шлаке сопровождаются образова­ нием газообразного продукта СО; поэтому они идут необратимо слева направо. Кремнезем, образующийся по реакции (ХХП-8), связывается в прочный силикат 2Ca0Si02, чему способствует высокое содержание СаО в шлаке (55—60%). С другой стороны, низкое со­

277

держание FeO в шлаке обеспечивает относительно высокое содержа­ ние восстановительных компонентов (С, СаС2 или Si).

Высокое содержание СаО в шлаке увеличивает его вязкость. Для разжижения шлака обычно используют плавиковый шпат CaF2. Фтор образует с серой летучее соединение SF6, и таким образом плави­ ковый шпат оказывает на процесс удаления серы не только косвен­ ное влияние, уменьшая его вязкость, но и прямое.

По закону действующих масс присутствие CaS в шлаке замедляет течение реакции обессеривания. С этой точки зрения желательно иметь большой объем шлака, а следовательно, низкое содержание CaS. Однако в этом случае затрудняется нагрев металла. Оптимальное количество шлака для среднетоннажных печей находится в пределах 4—6% от массы металла. Снизить содержание CaS в шлаке можно периодическим спуском шлака и наведением нового.

Благоприятные условия десульфурации металла в восстанови­ тельный период обеспечивают высокое значение коэффициента рас­ пределения серы между шлаком и металлом (S)/ [S ], достигающее 30—50 вместо 3—5 в окислительный период. Поэтому основное ко­ личество серы удаляется в восстановительный период.

Однако скорость поступления серы из металла в шлак в восста­ новительный период очень низкая, поэтому равновесное значение коэффициента распределения в электропечи не достигается. Это видно из рис. 82, где представлено фактическое и расчетное равновес­ ное содержание серы в металле при выплавке шарикоподшипниковой

2 7 8

стали ШХ15 в 10—100-т электропечах. Хотя к концу восстанови­ тельного периода и наблюдается приближение фактического содер­ жания серы к равновесному, тем не менее фактическое содержание серы в металле остается выше равновесного. При равенстве равно­ весного и фактического содержания серы точки располагались бы на прямой, проведенной под углом 45° к осям координат.

Высокая температура в печи снижает вязкость металла и шлака и тем самым ускоряет все диффузионные процессы, в том числе и удаление серы из металла. Электромагнитное перемешивание ме­ талла также ускоряет переход серы из металла в шлак, улучшая таким образом на 20—30% степень десульфурации металла. Для получения устойчивых результатов установки электромагнитного перемешивания должны быть включены не менее 50—60% всей про­ должительности восстановительного периода.

В рассматриваемый период сера может вноситься в ванну шлако­ образующими раскислителями, а также ферросплавами. При выплав­ ке сталей и сплавов с низким содержанием серы поступление серы с материалами необходимо свести до минимума. В частности, вместо каменноугольного кокса целесообразно использовать нефтяной кокс

В восстановительный период окисление углерода в металле пре­ кращается. В связи с этим отсутствуют условия для удаления га­ зов (водорода и азота), растворенных в металле, с пузырями окиси углерода. В то же время раскислители и легирующие, присаживае­ мые в печь в восстановительный период, вносят азот и водород в ванну, шлакообразующие даже после прокаливания содержат то или иное количество влаги, которая также является источником водорода. Наконец, в зоне дуг происходит разложение молекулярного водорода и азота на атомарный, который активно поглощается металлом. Таким образом, в восстановительный период имеются объективные условия повышения содержания азота и водорода в металле.

Содержание водорода в стали к концу плавки зависит от принятой технологии, состава стали, влажности используемого кислорода, извести и других материалов. При использовании хорошо просушен­ ных материалов концентрация водорода в среднелегированной стали перед выпуском находится обычно в пределах 5—9 см3/ 100 г, а в высоколегированных сталях оно достигает 10—11 см3/100 г.

Содержание азота в металле в восстановительный период в пер­ вую очередь определяется его длительностью и степенью раскисленности шлака, с повышением которой возрастает содержание азота как в шлаке, так и металле. В среднелегированных сталях в зависи­ мости от технологии их выплавки обычно содержится 0,006—■ 0,012% N. Снижение содержания газов в металле достигается про­ дувкой ванны во второй половине восстановительного периода арго­ ном.

279