Перспективы использования кислых сталеплавильных процессов

В возникших полтора века назад тех­нологиях массового производства ли­той стали — бессемеровском и марте­новском — на начальном этапе разви­тия использовались кислые огнеупоры (на базе кремнезема, SiC₂).

Использование кислых шлаков не давало возможности проводить опера­ции десульфурации и дефосфорации. Необходимость борьбы с серой и фос­фором явилась одной из главных при­чин перехода на работу с основными шлаками и на использование основ­ных огнеупоров.

При этом сама технология ведения плавки в конвертерах, в основных электро- и мартеновских печах, строи­лась таким образом, чтобы в процессе(в ходе) самой плавкиобеспечить полу­чение в конце операции металла нужно­го состава и с низким содержанием серы и фосфора.

В настоящее время ситуация изме­нилась коренным образом: современ­ные методы внепечной обработки чугу­на и стали обеспечивают получение в конечном счете металла нужного со­става и с минимальным содержанием вредных примесей в комплексе стале­плавильный агрегат—внепечная обра­ботка.

Неметаллические включения в кислой стали имеют другую природу, в частности отсутствуют грубые мало­деформируемые включения алюмина­тов кальция и магния, что для ряда ма­рок является важным. Особенностью включений в кислой стали является их круглая форма, сохраняющаяся после прокатки, в то время как включения основной стали часто представляют собой вытянутые пластинки или це­почки, из-за которых механические свойства основной стали в попереч­ном направлении значительно ниже, чем в продольном. В кислой же стали анизотропия механических свойств, особенно ударной вязкости и упругос­ти, ниже. Кроме того, механические свойства кислой стали, как правило, более стабильны от плавки к плавке, чем основной стали того же состава.

Известны работы, оказывающие положительное воздействие кислых шлаков на качество металла, прежде всего на чистоту по неметаллическим включениям. В частности, это иссле­дования с целью повышения качества подшипниковой стали, в ходе которых сталь ШХ 15, выплавленную в 70-т ДСП и 140-т мартеновской печи, об­рабатывали кислым шлаком. Полу­ченные результаты свидетельствуют о возможности резкого снижения за­грязненности подшипниковой стали как строчечными оксидными, так и наиболее опасными глобулярными включениями при обработке ее кис­лым шлаком.

Из исследований последнего вре­мени обращает на себя внимание ра­бота, выполненная на Белорусском металлургическом заводе (доклад на IV конгрессе сталеплавильщиков в 1996 г.). Обработка стали, предназна­ченной для металлокрода, кислыми шлаками привела к заметному повы­шению ее качества, снижению обрыв­ности кордовых нитей и т. д. В про­цессе выпуска стали в ковш присажи­вали дробленый кислый шлак, металл раскисляли алюминием и легировали ферромарганцем.

Особенностью кислых шлаков яв­ляется более низкая (по сравнению с основными) растворимость газов и низкая азото- и водородопроницае-мость (соответственно в 4—5 раз и в 2— 3 раза ниже, чем у основных шлаков). В результате увеличения отношения SiO₂: (FeO + MnO) от 0,72 до 2,11 во­допроницаемость шлаков снижается от 1,0 до 0,09см³/100г. Кислые шла­ки, для которых величина этого отно­шения менее 1,2, практически не про­ницаемы для азота.

По данным разных исследований, растворимость водорода в кислых шлаках во всех случаях оказывалась существенно (в несколько раз) ниже, чем в основных.

В работе Института черной метал­лургии Украины проведено сравнение содержания газов в металле в процессе конвертерной плавки при использова­нии конвертеров с кислой (7) и основ­ной (2) футеровками (рис. 21.1). При этом уменьшение содержания азота в кислом металле было также объяснено меньшей азотопроницаемостью кис­лых шлаков.

Рис. 21.1.Изменение содержания газов по ходу плавки в конвертерах с кислой (1) и ос­новной (2) футеровками

Распространение дуговых печей сравнительно небольшой емкости с кислой футеровкой обусловлено рядом преимуществ такого типа агрегатов:

1. Меньшие тепло- и электропро­водность кислых огнеупоров и шла­ков. Из-за повышенного сопротивле­ния кислых шлаков электрические дуги в кислых печах короче, что обес­печивает более быстрый нагрев метал­ла до заданной температуры при мень­шем (на 10—15 %) расходе электро­энергии.

2. Ванны кислых печей имеют от­носительно большую глубину (нет де­фосфорации и десульфурации — нет необходимости иметь большую поверх­ность контакта металл—шлак), как следствие — меньшие тепловые потери.

3. Малая доля «жидкого» периода позволяет полнее использовать мощ­ность трансформатора.

4. Материалы для футеровки кис­лых печей менее дефицитны, более чем в 2 раза дешевле, чем основные огнеупоры, и обеспечивают достаточ­но высокую стойкость подины, стен и свода при периодической работе печи.

5. По сравнению с основными кислые шлаки обладают более низ­кой электрической проводимостью и меньшей лучеиспускательной способ-

ностью, что позволяет нагревать жид­кий металл более короткой дугой на высокой ступени напряжения печно­го трансформатора. Электрические дуги разрывают шлаковый покров и непосредственно контактируют с жидким металлом, передавая ему теп­лоту дуг. Это улучшает передачу тепла металлу, сокращает время плавления и увеличивает электрический к.п.д. установки.

Уменьшению тепловых потерь че­рез кладку и более быстрому нагреву металла способствуют также более низкая теплопроводность и объемно-аккумулирующая способность кислых огнеупоров. Сравнительные показате­ли теплофизических величин огнеупо­ров приведены в табл. 21.1.

Таблица 21.1.Показатели некоторых теплофизических величин огнеупоров

Показатель	Кислые огнеупоры	Основные огнеупоры
Удельная	0,27-0,31	0,31-0,38
теплоемкость, Вт-ч/(м3-К)	(0,29)	(0,35)
Объемно-акку­мулирующая способность,	486-558 (552)	914-1121 (1017,5)
Вт-ч/(м3-К)
Теплопровод­ность, Вт/(м-К)	1,35-1,92 (1,635)	2,33-8,84 (5,585)
Температуро­проводность, М2/Ч	(2,8-3,0)- Ю-3 (2,9-Ю-3)	(2,0-9,1 1)-10-3 (5,555- Ю-3)

6. Кислый процесс имеет и некото­рые технологические достоинства: а) низкая активность оксидов железа в шлаке и, следовательно, меньший угар в процессе плавки; б) высокие темпе­ратуры нагреваемого металла, т. е. при необходимости есть возможность для восстановления кремния до значений, соответствующих марочному составу (без использования ферросилиция); в) процесс под кислым шлаком осо­бенно эффективен при переплаве хромсодержащих отходов. Известно, что по мере снижения основности шлака отношение (Сг)/[Сг] резко уменьшается. Это обстоятельство учи­тывается как при выплавке высоко­хромистых сталей (марки типа 08Х18Н10), так и сталей с относитель­но невысоким содержанием хрома (рис. 21.2). Результаты сравнения ус­ловий работы основных и кислых ДСП сведены в табл. 21.2.

Таблица 21.2.Качественное сравнение выплавки стали в печах с кислой и основной

футеровками

Условия выплавки и свойства стали	Футеровка
кислая	основ­ная
Продолжительность	Меньше	Больше
плавки
Расход электроэнергии	Меньше	Больше
Стоимость огнеупоров	Дешевле	Дороже
Термостойкость футеровки	Выше	Ниже
Тепловые потери	Ниже	Выше
Удаление серы и фосфора	Нет	Да
Содержание газов в	Ниже	Выше
металле
Анизотропия	Ниже	Выше
механических свойств
Стабильность	Выше	Ниже
механических свойств от
плавки к плавке
Форма неметаллических	Округлая	Вытя-
включений		нутая
Балл неметаллических	Ниже	Выше
включений

Проблемы эффективного исполь­зования кислых шлаков интересуют также конвертерщиков. Заслуживают внимания эксперименты, проведен­ные в Институте черной металлургии Украины и в конвертерном цехе заво­да им. Петровского. Эксперименты показали, что для стали, выплавлен­ной в конвертере с кислой футеров­кой, по сравнению с основной харак­терны снижение содержания азота, водорода и кислорода, повышение ударной вязкости толстого листа и уменьшение анизотропии свойств. В целом для процесса в конвертере с

Рис. 21.2. Изменение состава металла и шла­ка при выплавке в 10-т кислой печи стали марки 37ХНЗА

кислой футеровкой получены сниже­ние расхода сырья и энергоносителей, уменьшение количества отходов и по­вышение производительности конвер­теров.

Конечно, при решении вопроса о выборе той или иной футеровки нуж­но учитывать, что температура огне­упорности магнезита и хромомагнези­та 2000 ºС, а динаса 1730 °С, однако по мере расширения методов искусствен­ного охлаждения отдельных элементов конструкций сталеплавильных агрега­тов влияние этого фактора уменьша­ется, а в ряде случаев вообще исчезает.

Ближайшее будущее покажет, ка­ковы перспективы использования тех­нологий плавки металла под кислым шлаком.

ПЕРЕПЛАВНЫЕ ПРОЦЕССЫ

Переплавные процессы — это различ­ные способы переплава (с целью из­менения состава и повышения каче­ства металла) слитков или заготовок, предварительно полученных обычны­ми способами выплавки (в ДСП, кон­вертере, мартеновской печи). Под из­менением состава переплавленных за­готовок понимают уменьшение содержания вредных примесей и включе­ний в металле. Кроме того, на этой стадии можно создать особые условия кристаллизации металла (более быст­рая и направленная кристаллизация) с целью существенного уменьшения не­желательных последствий ликвацион-ных процессов и дефектности слитков усадочного происхождения.

Помимо названия «переплавные процессы» используют названия «спе­циальная металлургия» или «специ­альная электрометаллургия».

К переплавным процессам часто относят также плавку стали в вакуум­ной индукционной печи (вакуумный индукционный переплав, или сокра­щенно ВИП).

Первые промышленные вакуумные индукционные печи появились около 35 лет назад; это были первые вакуум­ные агрегаты, предназначенные для плавки стали.