IV Внепечная обработка стали.

Непрерывное повышение требований к качеству стали, снижению расходных коэффициентов при раскислении и легировании, повышению технико-экономических показателей производства привели к появлению в технологической цепи стадии внепечной обработки. Современная внепечная обработка позволяет решать целый ряд задач, а именно:

- достижение низких и ультранизких концентраций примесей (углерода, серы, фосфора, кислорода, азота, водорода и неметаллических включений);

- легирование

- усреднение металла в ковше по составу и температуре.

Различные виды внепечной обработки как правило сочетаются вместе, чем достигается два эффекта: сокращение длительности обработки и повышение ее эффективности. При этом одна и та же задача может быть решена различными способами.

1. Выбор технологической схемы и оборудования для внепечной обработки.

Технологическая схема внепечной обработки должна быть обоснована и обязательно включать:

- отсечку окислительного шлака;

- раскисление и вакуумирование стали;

- продувку металла в ковше нейтральным газом;

- установку ковш-печь;

- контроль процесса - отбор и анализ проб, измерение температуры металла.

Кроме того, в зависимости от требований ГОСТа и ТУ на данную марку стали выбираются способы десульфурации, вакуумирования стали. В разделе дается краткое описание технологического оборудования и технологии внепечной обработки.

2. Расчет раскисления и легирования стали.

При выборе типа используемых раскислителей и легирующих исходят из их состава и стоимости. Особое внимание при производстве низкоуглеродных сталей уделяют содержанию в ферросплавах углерода, а при выплавке высококачественных и высоколегированных сталей - также и содержанию фосфора. Обычно при выплавке высоко- и среднеуглеродистых сталей применяют высокоуглеродистые ферросплавы при выплавке малоуглеродистых сталей - средне и низкоуглеродистые ферросплавы.

В качестве раскислителей используют, главным образом, ферросилиций, силикомарганец и алюминий. Расчет ведется на 100 кг жидкой стали.

Как правило, легирование стали марганцем, хромом и кремнием осуществляют при выпуске металла из сталеплавильного агрегата в ковш при максимоальном предотвращении попадания в ковш окислительного шлака.

Количество вводимых легирующих рассчитывается по уравнению :

(51)

где - содержание легирующего компонента в стали конечное, перед выпуском и в ферросплаве;

q_ф - коэффициент усвоения легирующего компонента;

G_ст - вес жидкой стали, кг.

Величина q_ф зависит от способа ввода ферросплавов в сталь. При раскислении и легировании ферромарганцем, феррохромом и ферросилицием в ковше величина q_ф соответственно равна 0,80-0,85; 0,85-0,90 и 0,70-0,75 (нижнее значение относится к попаданию в ковш со сталью повышенного количества шлака).

При этом необходимо откорректировать содержание углерода и фосфора, вносимые ферросплавами

(52)

где - содержание углерода или фосфора соответственно в стали перед выпуском, конечное;

- повышение содержания i-го компонента при введении ферросплава в сталь.

В свою очередь:

(53)

Угар алюминия при раскислении зависит от исходного (перед раскислением) содержания кислорода в стали, количества и окисленности конвертерного шлака, способа ввода алюминия и температуры металла в ковше, которая на 30-50° ниже температуры в конвертере. В том случае, если раскисление производится при выпуске стали в ковш совместно с легированием, необходимое количество алюминия можно рассчитать, учитывая расход алюминия на раскисление (связывание кислорода) , повышение его содержания в стали и его угар (в шлак, в результате взаимодействия с атмосферой, с огнеупорами ковша):

(54)

где q_Al - коэффициент использования алюминия на раскисление и повышение его содержания в стали, равный 0,80 при раскислении кусковым алюминием и 0,85 при раскислении алюминиевой проволокой.

определяется заданным технологией конечным содержанием алюминия (в тех случаях, когда это не оговорено ГОСТом):

(55)

В свою очередь:

(56)

где (57)

Фактическое содержание кислорода в стали перед выпуском из конвертера можно принять средним между равновесным с углеродом и со шлаком , рис.1:

(58)

Равновесную с углеродом концентрацию кислорода можно определить через константу равновесия реакции [C]+[O]={CO}:

(59)

Содержание кислорода, равновесное со шлаком определяется окисленностью шлака перед выпуском в соответствии с константой равновесия реакции Fe+[O]=(FeO):

(60)

Величину a_FeO можно оценить соответственно теории регулярных ионных растворов:

(61)

где (62)

Равновесную с алюминием конечную концентрацию кислорода в стали можно определить в соответствии с константой равновесия реакции 2[Al]+3[O]=(Al₂O₃):

(63)

В свою очередь:

(64)

где - параметры взаимодействия кислорода по углероду, кремнию, марганцу, хрому и алюминию.

Величины приведены ниже:

=-0,41; =-0, 13; =-0,02; =-0,038; =-3,9.

Величину параметров взаимодействия при других температурах можно определить по уравнению:

(65)

В том случае, если сталь раскисляют алюминиевой проволокой на установке доводки металла или ковш-печь, исходное (перед введением алюминия) содержание кислорода определяется не содержанием углерода, а содержанием кремния в соответствии с константой равновесия реакции [Si]+2[O]=SiO₂:

(66)

Через активность кислорода и параметр взаимодействия (уравнение 65) можно рассчитать исходную концентрацию кислорода и по уравнениям (56, 63, 64, 65, 54) найти расход алюминия.

Содержание различного типа оксидных неметаллических включений рассчитывают для случая раскисления стали кусковым ферросилицием и последующим раскислением алюминиевой проволокой по следующей схеме:

- в момент раскисления ферросилицием образуются первичные включения кремнезема в количестве:

(67)

где [O]₀ - исходное перед раскислением содержание кислорода

- содержание кислорода, равновесное с содержанием кремния при температуре раскисления.

- при последующем раскислении алюминием образуются первичные оксидные включения глинозема:

(68)

где - содержание кислорода, равновесное с алюминием при температуре раскисления.

- при стали до температуры ликвидус образуются вторичные включения глинозема:

(69)

где - содержание кислорода, равновесная с алюминием при температуре ликвидус.

- при охлаждении стали до комнатной температуры образуются кристаллизационные и послекристаллизационные (третичные и четвертичные) включения глинозема:

(70)

На завершающем этапе расчетов раскисления и легирования уточняется содержание фосфора в стали, изменившееся в результате процессов, протекающих во время выпуска.

Раскисление стали вызывает перераспределение фосфора между металлом и шлаком, попавшем из конвертера в ковш. При нормальной организации отсечки шлака его толщина в ковше составляет 30-50мм. Это означает, что вес конвертерного шлака, попавшего в ковш, составляет:

return false">ссылка скрыта

(71)

где d - диаметр ковша, м

- плотность шлака, равная 3,0-3,5 т/м³

h_шл - высота слоя шлака в ковше, м

Если предположить, что в результате раскисления весь фосфор перейдет из шлака в металл, то его содержание в стали увеличится на:

(72)

Таким образом, конечное содержание фосфора в стали складывается из содержания фосфора в стали перед выпуском из конвертера [P]_м, приходом фосфора с ферросплавами и из конвертерного шлака :

(73)