Реферат: Обработка металла под давлением

Введение

Необходимость повышения требований к качеству стали, ограниченные возможности регулирования физических и физико-химических условий протекания процессов плавки стали в сталеплавильных агрегатах (дуговых печах, конвертерах и др.) привели к созданию новых сталеплавильных процессов, соответствующих современному уровню развития техники. Одним из элементов таких технологий является внепечная обработка стали (другие названия: внепечная металлургия, ковшевая металлургия, ковшевое рафинирование [1]). Обеспечивая получение не только высокого качества, но и повышение производительности сталеплавильных агрегатов, внепечная обработка стали стала неотъемлемой частью сталеплавильного производства.

В настоящее время в мировой практике методами внепечной металлургии обрабатывают сотни миллионов тонн стали. Быстрое и широкое распространение внепечной обработки объясняется многими положительными моментами, главными из которых являются:

-упрощение технологии конвертерной плавки, так как появляется возможность продувки металла кислородом до низких содержаний углерода с последующей корректировкой состава по углероду и другим примесям [2,3];

- создание условий для ведения конвертерной плавки с очень малым количеством шлака ("бесшлаковая" технология), с малым расходом материа­лов, меньшими потерями железа в шлак и т.д. [2,4];

- замена двухшлаковой технологии электроплавки на одношлаковую без скачивания шлака (уменьшаются продолжительность плавки, расход электроэнергии, увеличивается производительность и т.д. [9]);

-обеспечение надёжной и высокопроизводительной работы машин непрерывной разливки стали с возможностью регулировки требуемой от плавки к плавке температуры и получение металла чистого от вредных примесей, прежде всего по сере [5,6];

- получение более дешёвыми методами и в больших количествах особо чистой стали с ничтожным содержанием нежелательных примесей. Это, в свою очередь, позволяет получать сталь новых марок с очень высокими показателями прочности и пластичности;

- изменение структуры и типа потребляемых ферросплавов и раскислителей в сторону снижения требований к составу и соответствующее их удешевление [8];

- широкое внедрение технологии «прямого легирования» с использованием природно-легированных руд, а также материалов из шлаковых отва­лов и различных отходов смежных производств;

- возможность разработки безотходной технологии литья.

Эти и многие другие достоинства сталеплавильных технологий с использованием методов внепечной обработки привели к тому, что сегодня работа сталеплавильных цехов немыслима без наличия в их составе агрегатов внепечной обработки. Внепечная обработка решает следующие проблемы: уменьшение разброса данных по химическому составу металла и его температуры, глубо­кая десульфурация, легирование, глубокое обезуглероживание, раскисление, дегазация, уменьшение содержания неметаллических включений.

В настоящее время разрабатываются технологии применения при выплавке конструкционных марок сталей алюминиевых гранул [19]. Они применяются для раскисления стали при выплавке, для легирования специальных марок стали алюминием и при обработке жидкой стали синтетическими шлаками в ковше. Применение алюминия в виде гранул, массой несколько граммов, ускоряет процесс их расплавления и растворения в основной массе жидкой стали, что в конечном счёте ведёт к более эффективному раскисле­нию стали и снижению расхода раскислителя.

Изготовление гранул основано на использовании поверхностного натяжения жидкостей. Жидкий алюминий заливают в чашу гранулятора и, протекая через отверстия в днище чаши, он на воздухе разделяется на отдельные капли и быстро затвердевает в воде.

Разработка технологии изготовления гранулированного алюминия производилась в фасонолитейном цехе (ФЛЦ) ОАО "НЛМК", а исследование технологии применения алюминиевых гранул производилось в ККЦ-1 и ККЦ-2 ОАО "НЛМК".

1. Особенности технологии внепечной обработки при производстве высококачественной стали.

1.1 Основные методы внепечной обработки стали

Внепечная обработка стали начала активно применяться для повышения производительности сталеплавильных печей и конвертеров, позволяя выне­сти часть процессов рафинирования из этих агрегатов в ковш [7]. Однако уже начало внедрения современных процессов внепечной обработки показало, что они позволяют существенно улучшить качество стали. Внепечной обра­боткой оказалось возможным не только существенно улучшить качество ста­ли (механические свойства, коррозионную стойкость, электротехнические показатели и др.), но и получить сталь с принципиально новыми свойствами, например сталь со свободными междоузлиями, содержащую С 0,003 % и N 0,004 % и не имеющую предела текучести, т.е. способную работать до предела прочности [11, 20]. В сталеплавильных печах и конвертерах такую сталь получить невозможно.

Появилась возможность гарантированно получать сталь с узкими пределами содержания элементов. Это позволило уменьшить коэффициент запаса прочности, учитываемым при проектировании, с обычных 1,5-3,0 до 1,2-1,4, т.е. примерно в два раза при сохранении высокого качества стали, её однородности, низкого содержания включений [22, 24]. Соответственно уменьшены массы машин и конструкций, их габариты, стоимость транспортировки.

Наиболее простым способом внепечной обработки стали с целью улучшения её качества является продувка жидкого металла в ковше инертным газом. Пузырьки газа, всплывающие при продувке через весь слой металла, способствуют его рафинированию. При увеличении интенсивности массопереноса в ковше происходит выравнивание состава и температуры в объёме металла. Интенсивное перемешивание ускоряет доставку неметаллических включений к поверхности металл - шлак и удаление их из стали. Этому же способствует удаление неметаллических включений пузырьками продувае­мого газа вследствие их адсорбции на поверхности этих пузырьков. Так как парциальное давление водорода в пузырьках инертного газа равно нулю, они по отношению к водороду являются в некотором смысле вакуумными полос­тями и экстрагируют его из металла [21].

Продувку инертным газом в ковше широко применяют и в сочетании с другими способами внепечной обработки (вакуумом, порошками) для интенсификации массо - и теплообменных процессов. Наиболее часто для продув­ки в ковше используют аргон, который получают на кислородных станциях металлургических заводов при разделении воздуха с целью производства ки­слорода.

Иногда для продувки металла в ковше применяют азот. Это возможно, когда сталь не содержит нитридообразующих элементов, имеющих высокое химическое сродство к азоту (циркония, титана, ванадия). Такие элементы, если и не связывают азот в нитриды при температурах внепечной обработки вследствие малых концентраций, то понижают его активность, вызывая повышение растворимости.

Расход инертного газа при продувке обычно составляет 0,3-2,0 м³ /т ста­ли. Газ в металл подают через погружаемую фурму ("ложный стопор"), через пористую огнеупорную пробку в днище ковша или через пористые швы в днище ковша. "Ложный стопор" представляет собой стальную трубу, футерованную снаружи огнеупорными катушками. Для усиления эффекта иногда используют стопоры с огнеупорной пробкой, насажанной на выходную часть трубы и имеющей расположенные радиально или перпендикулярно оси сто­пора отверстия для выхода газа. Стопор опускают в металл сверху до уровня на 200...300 мм выше днища ковша [34, 37]. Однако ложные стопоры для продувки имеют и недостатки, поскольку представляют собой устройства одноразового использования. Ещё более существенно то, что во время продувки наиболее интенсивное движение металла и газа происходит вдоль стопора (даже при использовании пробок, направляющих газ радиально или горизонтально). Вследствие этого огнеупорная футеровка стопора быстро размывается, и частицы её поступают в ме­талл, отрицательно влияя на возможность его очистки от неметаллических включений [36]. Поэтому использование ложных стопоров для продувки металла инертным газом не нашло широкого применения.

На отечественных заводах также применяют продувку инертным газом через шиберный затвор. Этот способ отличается простотой устройства и отсутствием необходимости специальных переделок в футеровке ковша. При установке разливочного стакана в гнездо ковша в него вводят трубку для продувки аргоном и засыпают стакан и верхнюю часть гнезда ковша магнезитовой крошкой. С начала выпуска стали в ковш начинают продувку арго­ном, который в первый момент пробивает ход в подсыпке, образуя своеобразное "сопло" [41].

Продувка аргоном через трубку, установленную в шиберном затворе, имеет преимущество по сравнению с другими способами продувки, посколь­ку при одинаковом расходе газа она обеспечивает большую мощность перемешивания вследствие большей кинетической энергии поступающей в жид­кий металл газовой струи.

Продувку инертным газом обычно производят после полного раскисления стали, включая присадки алюминия, имеющего большую раскислительную способность. Интенсивность продувки и её продолжительность зависят от массы металла и требуемого результата. Обычно продувка продолжается от 3 до 10 мин.

Если продувать инертным газом сталь, не раскисленную алюминием, что делают редко, то на поверхности пузырьков, в которых парциальное дав­ление оксида углерода возможно протекание реакции окисления уг­лерода [С] + [О] = СО_газ , т.е. раскисление углеродом в вакууме. Результатом этого является снижение окисленности стали и уменьшение содержания ок­сидных включений после полного раскисления алюминием [42]. Однако ос­новная часть неметаллических включений при продувке инертным газом удаляется механическим путём вследствие их выноса к поверхности металла со шлаком. Поэтому углеродное раскисление продувкой инертным газом не полностью раскисленного металла не нашло применения.

Вследствие выравнивания состава и температуры металла, снижения со­держания в нём неметаллических включений сталь, обработанная инертным газом в ковше, имеет повышенные пластические свойства и ударную вяз­кость, а также пониженную анизотропность механических свойств.

Другим видом внепечной обработки стали является обработка металла вакуумом. Обработка металла вакуумом (снижение давления над расплавом) влия­ет на протекание тех реакций и процессов, в которых принимает участие га­зовая фаза. Газовая фаза образуется, в частности при протекании реакции окисления углерода; газовая фаза образуется при протекании процессов выделения растворенных в металле водорода и азота, а также процессов испа­рения примесей цветных металлов [43]. Обработка вакуумом воздействует на характер протекания именно этих реакций.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--