Metallurgy.zp.ua
Главная » Внепечная обработка стали » Продувка металла инертными газами

Продувка металла инертными газами

Влияние продувки инертными газами на состав металла в известной мере аналогично обработке вакуумом. При продувке инертными газами массу ме­талла пронизывают тысячи пузырей инертного газа, каждый из которых слу­жит своеобразной маленькой вакуум­ной камерой, так как парциальные давления водорода и азота в таком пу­зыре равны нулю. При продувке инер­тным газом происходит интенсивное перемешивание металла, усреднение его состава. В тех случаях, когда по­верхность металла покрыта шлаком заданного состава, при перемешива­нии улучшаются условия протекания ассимиляции таким шлаком неметал­лических включений. Большое коли­чество пузырей инертного газа приво­дит к интенсификации процесса газовыделения, так как пузыри являются готовыми полостями с развитой по­верхностью раздела, что очень важно для образования новой фазы. Продув­ка инертным газом сопровождается снижением температуры металла (газ нагревается и интенсивно уносит теп­ло), поэтому продувку инертным га­зом часто используют для регулирования температуры металла в ковше.

Проведение операции продувки боль­ших масс металла инертными газами в ковше проще и дешевле, чем обработ­ка вакуумом, поэтому, если это воз­можно, обработку вакуумом заменяют продувкой инертными газами через пористые пробки в днище ковша или через полый стопор. Для процесса продувки металла инертными газами характерно:

  1. уменьшение содержа­ния газов в металле;
  2. интенсивное перемешивание расплава, улучшение условий протекания процессов пере­вода в шлак неметаллических включе­ний, при этом состав металла усред­няется;
  3. улучшение условий проте­кания реакции окисления углерода;
  4. снижение температуры металла.

Метод продувки инертными газами для повышения качества металла по­лучил промышленное распростране­ние по мере освоения технологии по­лучения больших количеств дешевого аргона как сопутствующего продукта при производстве кислорода. На кис­лородных станциях аргон выделяют при ректификации жидкого воздуха. Если завод имеет мощную кислород­ную станцию, то объем попутно полу­чающегося аргона достаточен для об­работки больших количеств стали.

Для продувки металла, не содержа­щего нитридообразующих элементов (хрома, титана, ванадия и т. п.), часто используют азот. При 1550—1600°С процесс растворения азота в жидком железе не получает заметного разви­тия. Расход инертного газа составляет обычно 0,1—3,0 м3/т стали. В зависи­мости от массы жидкой стали в ковше снижение температуры стали при таком расходе аргона может проис­ходить со скоростью 2,5—4,5 °С/мин (в технологии без продувки скорость охлаждения 0,5—1,0 °С/мин). При продувке тепло дополнительно расхо­дуется на нагрев инертного газа и из­лучение активно перемешиваемыми поверхностями металла и шлака. Большая часть тепловых потерь связа­на с увеличением теплового излуче­ния, поэтому используется такой про­стой и достаточно эффективный при­ем, как накрывание ковша крышкой при продувке. Этим одновременно до­стигается снижение степени окисле­ния обнажающегося при продувке ме­талла. Простым и надежным способом подачи газа является использование так называемого ложного стопора (рисунок 1). Продувочные устройства типа ложного стопора безопасны в эк­сплуатации, так как в схему футеровки ковша не нужно вносить никаких из­менений, но они обладают малой стойкостью — в результате интенсив­ного движения металлогазовой взвеси вдоль стопора составляющие его огне­упоры быстро размываются.

Фурма в виде ложного стопора для продувки металла в ковше
Рисунок 1 — Фурма в виде ложного стопора для продувки металла в ковше

Большое распространение получил способ продувки через устанавливае­мые в днище ковша пористые огне­упорные пробки: в тех случаях, когда продувку проводят одновременно через несколько пробок, эффективность воздействия инертного газа на металл существенно возрастает. Пористые ог­неупорные пробки выдерживают не­сколько продувок. Наряду с высокой газопроницаемостью пористые проб­ки должны обладать огнеупорностью, достаточной для надежной работы при 1550—1650°С, а также термической и химической стойкостью к металлу и шлаку. Один из вариантов конструк­ции пробки показан на рисуноке 2. Ис­пользование пробок данной конструк­ции обеспечивает интенсивное пере­мешивание металла.

Конструкция устройства пробки для подачи аргона в металл
1 — пробка из гранул огнеупорного материала; 2— огнеупорны й корпус; 3 — пустотелый кирпич; 4 — огнеупорная фурма; 5 — стальная трубка Рисунок 2 — Конструкция устройства пробки для подачи аргона в металл

Распространение получил также метод продувки металла через пористое днище ковша (в зарубежной литературе такая техноло­гия обозначается SS (от англ. strong stirring — сильное перемешивание). Лучшим в эксплуа­тации оказалось днище из обычных огнеупоров с пористыми швами (рисунок 3). Стойкость подобного днища такова, что оно служит всю кампанию ковша и заменяется только при ре­монте футеровки.

Схема движения газометалличес­ких потоков в ковше при продувке металла через пористые швы днища
Рисунок 3 — Схема движения газометалличес­ких потоков в ковше при продувке металла через пористые швы днища

На рисунке 4 приведена схема про­дувочной фурмы с газовой защитой. Через такую фурму можно вдувать также и порошки. Получают распрос­транение и другие способы. Степень протекания всех перечисленных выше процессов зависит от продолжитель­ности продувки и от ее интенсивности (т.е. в конечном счете от расхода инертного газа):

  1. продувка с расходом газа до 0,5 м3/т стали достаточна для усреднения химического состава и температуры металла;
  2. продувка с интенсивностью до 1,0м3/т влияет на удаление из металла неметалличес­ких включений;
  3. для эффективной дегазации необходим расход инертного газа 2—3 м3/т металла.
Схема продувочной фурмы с газовой защитой
Рисунок 4 — Схема продувочной фурмы с газовой защитой 1 — фурма; 2 — подвод газа на продувку; 3 — конус; 4 — подвод газа на струйную защиту; 5 — футеровка; 6 — крепление конуса; 7 — продувочное сопло

Во многих случаях продувку инерт­ным газом проводят одновременно с обработкой металла вакуумом. В этом случае расход инертного газа может быть существенно уменьшен. Совме­щение продувки инертным газом с обработкой шлаком способствует повы­шению эффективности использования шлаковых смесей, так как при ин­тенсивном перемешивании при про­дувке увеличиваются продолжительность контакта и сама поверхность контакта металла со шлаком. Если при этом ковш, в котором осуществляется такая обработка, накрыт крышкой, то при условии создания атмосферы инертного газа в пространстве между крышкой и поверхностью шлака ме­талл будет защищен от окисления, а снижение потерь тепла позволит уве­личить время контакта металла с жид­ким шлаком. На этом принципе осно­вана разработанная на одном из заво­дов Японии технология так называе­мого САВ-процесса. Как видно из рисунка 5, в данной технологии пре­дусмотрено наличие на поверхности металла в ковше синтетического шла­ка заданного состава. В тех случаях, когда из плавильного агрегата в ковш попадает окисленный конечный шлак, применим метод, названный в Японии SАВ-процессом (рисунок 6).

Схема САВ-процесса
Рисунок 5 — Схема САВ-процесса 1 —ковш с металлом; 2—крышка ковша; 3— уст­ройство для загрузки ферросплавов; 4 — отверстие для отбора проб; 5 — синтетический шлак; 6—ши­берный затвор; 7— пористая пробка для введения аргона
Схема SАВ-процессом
Рисунок 6 — Схема SАВ-процесса 1 — ковш с металлом; 2— погружной огнеупорный колпак; 3— отверстие для подачи материалов; 4 — синтетический шлак; 5 — окислительный шлак; 6— шиберный затвор; 7— пористая пробка для введе­ния аргона

Введение в металл добавок в нейт­ральной атмосфере и хорошее их усво­ение при перемешивании металла инертным газом обеспечивается при несколько усложненном способе за­щиты зоны продувки —это так назы­ваемый САS-процесс. По этому способу в ковш сверху вводят огнеупор­ный колпак, закрытый снизу расплав­ляющимся металлическим конусом таким образом, чтобы внутрь этого колпака не попал шлак. Через колпак вводят ферросплавы, снизу в ковш по­дают аргон для продувки. Этот метод позволяет достичь высокой степени усвоения элементов, вводимых с до­бавками в металл (рисунок 7).

Схема САS-процесс
Рисунок 7 — Схема САS-процесс 1 — ковш с металлом; 2 — погружной колпак из высокоглиноземистых огнеупоров; 3 — отверстие для отбора проб; 4— люк для введения ферросплавов; 5 — расплавляющийся конус из листовой стали, препятствующий попаданию шлака при опускании колпака в металл; 6 — пористая пробка для введения аргона

На рисунке 8 представлена схема САS-установки усложненной конст­рукции, смонтированной в конвертер­ном цехе завода фирмы Wheeling Pittsburg Steel (США). На этой уста­новке предусмотрена возможность по­догрева стали за счет теплоты реакции окисления кислородом вводимого в металл алюминия. Установка названа САS-ОВ.

Схема установки САS-ОВ
Рисунок 8 — Схема установки САS-ОВ 1 — фурма для продувки кислородом с нагревом ста­ли; 2 — желоб для подачи легирующих; 3 — дымоход; 4 — фурма для вдувания порошков; 5 — устрой­ство для подъема колпака; 6— струя кислорода; 7 — колпак; 8— перемешивающий газ; 9— пористая пробка

В тех случаях, когда необходимо перемешивать металл в ковше под шлаком длительное время, в крышку ковша опускают электроды и подогре­вают ванну. При этом исключается ис­пользование обычного шамота в каче­стве огнеупорного материала ковша, так как продолжительный контакт жидкоподвижного высокоосновного шлака с шамотной футеровкой, состоящей из кремнезема и глинозема, при­ведет к быстрому выходу футеровкииз строя. Ковш футеруют основными высокоогнеупорными материалами.

Сочетание продувки инертным газом с заменой футеровки ковша позволяет добиться заметного снижения загряз­нения металла кислородом. Если при обычной технологии для раскислен­ной алюминием стали произведение [Аl]2 · [О]3 достигает значения 10-8—10-9, то при использовании ковшей с основной футеровкой при продувке аргоном оно составляет ~10-11.

На рисунке 9 отражена эволюция методов продувки металла инертным газом.

Совершенствование конструкции сталеразливочных ковшей и методов продув­ки металла инертным газом
Рисунок 9 — Совершенствование конструкции сталеразливочных ковшей и методов продув­ки металла инертным газом а — ковш , снабженный затвором шиберного типа; б— продувка газа через днище; в — подача газа снизу через стенку ковша; г — продувка через ложный стопор; д — продувка металла в ковше, накрытом крышкой; е — интенсивная продувка через ряд фурм или пористое днище; ж — продувка снизу в ковше с крышкой, через которую вводят добавки; з — про­дувка в ковше под вакуумом