2.10.1.5 Раскисление и восстановительный период

По окончании окислительного периода сталь раскисляют. При этом возможны два варианта выполнения этой технологической операции:

– глубинное раскисление без наводки восстановительного шлака, т. е. без восстановительного периода;

– раскисление в восстановительный период.

Глубинное раскисление без скачивания окислительного и наводки восстановительного шлака начали применять в последние годы. Толчком к развитию этого метода послужило значительное увеличение мощности печных трансформаторов, которая в восстановительный период используется в малой степени. Минуя восстановительный период выплавляют главным образом углеродистую и низколегированную конструкционную сталь.

При выплавке стали, под одним шлаком (без наводки восстановительного шлака) после окончания окислительного периода в печь присаживают кусковой ферросилиций из расчета получения 0,1 % содержания кремния и ферромарганец из расчета получения среднего заданного содержания марганца в металле. Затем если выплавляют сталь содержащую хром в печь присаживают феррохром из расчета получения среднего заданного содержания хрома в стали. Длительность раскисления в печи составляет (10–20) мин, после чего сталь выпускают в ковш, где ее окончательно раскисляют ферросилицием и алюминием.

Выплавка стали под одним шлаком позволяет сократить длительность плавки, и уменьшите расход электроэнергии и раскислителей, а также упростить ведение плавки. При выплавке стали, в которой необходимо получить пониженное содержание окисных включений, особенно при низком содержании углерода менее (0,15–0,20) %, или низкое содержание серы менее (0,015–0,020) %, а также стали в которую вводится значительное количество окисляемых легирующих элементов (Al, Ti, V, W, Сr), раскисление проводят под восстановительным шлаком, который наводят после скачивания окислительного шлака.

Основными задачами восстановительного периода являются:

– раскисление металла;

– удаление серы;

– корректировка химического состава металла;

– регулирование температуры металла;

– подготовка к выпуску высокоосновного жидкоподвижного шлака.

В начале восстановительного периода содержание углерода должно быть на (0,03–0,10) % меньше нижнего предела в готовой стали. При меньшем содержании углерода металл необходимо науглеродить. Для этого на поверхность металла после скачивания окислительного шлака присаживают кокс или электродный бой, и металл перемешивают. При этом усваивается примерно (60–70) % углерода кокса и (70–80) % углерода, вносимого электродным боем.

Науглероживание является нежелательной операцией, так как оно увеличивает продолжительность плавки, а кроме того, при открытой поверхности металла быстро охлаждается и он поглощает из атмосферы водород и азот, уже не удаляемые в восстановительный период. Поэтому окислительный период должен быть проведен так, чтобы необходимость науглероживания исключалась.

В настоящее время наибольшее распространение, получила технология, сочетающая преимущества диффузионного и глубинного раскисления.

По этой технологии после скачивания окислительного шлака на голое зеркало металла присаживаю в печь ферромарганец в количестве, необходимом для обеспечения содержания марганца в металле на его нижнем пределе для выплавляемой стали и ферросилиций из расчета введения в металл (0,10–0,15) % кремния, а также алюминий в количестве (0,03–0,1) %. Эти добавки вводят для обеспечения осаждающего раскисления металла.

Далее наводят шлак, вводя в печь известь, плавиковый шпат и шамотный бой в соотношении 5:1:1 в количестве (2–4) % от массы металла. Через (10–15) мин шлаковая смесь расплавляется, и после образования жидкоподвижного шлака приступают к диффузионному раскислению ванны. Периодически, через (10–12) мин, в печь вводят порции раскислительной смеси из извести, плавикового шпата и раскислителя. Первые (15–20) мин в качестве раскислителя в этой смеси используют молотый кокс (углерод), далее вместо него молотый ферросилиций; иногда допускается дача порций чистого кокса или ферросилиция. На некоторых марках стали в конце восстановительного периода в состав раскислительной смеси вводят более сильные раскислители – молотый силикокальций и порошкообразный алюминий.

Обычно расход кокса на раскисление под белым шлаком составляет (1–2) кг/т металла. Расход ферросилиция определяют с учетом того, что около 50 % кремния переходит в металл; в течение восстановительного периода содержание кремния в металле за счет присадок на шлак порошкообразного ферросилиция доводят до (0,25–0,35) % (что соответствует его содержанию в нелегированных кремнием сталях).

Суть диффузионного раскисления, протекающего в течение всего периода заключается в следующем. Поскольку раскисляющие вещества применяют в порошкообразном виде, плотность их невелика, и они очень медленно опускаются через слой шлака. В шлаке протекают следующие реакции раскисления:

(FeO) + С = Fe + CO;

2(FeO) + Si = 2Fe + (SiO₂) и т. п.

В результате содержание FeO в шлаке уменьшается, и в соответствии с законом распределения (FeO)/[FeO] = const кислород (в виде FeO) начинает путем диффузии переходить из металла в шлак (диффузионное раскисление). Преимущество диффузионного раскисления заключается в том, что поскольку реакции раскисления идут в шлаке, выплавляемая сталь не загрязняется продуктами раскисления – образующимися оксидами, т.е. будет содержать меньше оксидных неметаллических включений.

По мере диффузионного раскисления постепенно уменьшается содержание FeO в шлаке и пробы застывшего шлака светлеют, а затем становятся почти белыми. Белый цвет шлака характеризует низкое содержание в нем FeO. При охлаждении такой шлак рассыпается в порошок.

Белый шлак конца восстановительного периода имеет следующий состав, %: (53–60) СаО; (15–25) SiO₂; (7–15) MgO; (5–8) А1₂О₃; (5–10) CaF₂; (0,8–1,5) CaS; < 0,5 FeO; < 0,5 MnO.

Во время восстановительного периода успешно идет десульфурация, что объясняется высокой основностью шлака CaO/SiO₂ = (2,7–3,3) и низким < 0,5 % содержанием в нем FeO, обеспечивающими сдвиг равновесия реакции десульфурации

[S] + Fe + (СаО) = (CaS) + (FeO)

вправо (в сторону более полного перехода серы в шлак). Коэффициент распределения серы между шлаком и металлом (S)/[S] составляет 20–60.

Для улучшения перемешивания шлака и металла и интенсификации, медленно идущих процессов перехода в шлак серы, кислорода и неметаллических включений в восстановительный период рекомендуется применять электромагнитное перемешивание металла.

Длительность восстановительного периода составляет (40–100) мин. За (10–20) мин до выпуска проводят, если это необходимо, корректировку содержания кремния в металле, вводя в печь кусковой ферросилиций. Для конечного раскисления за (2–3) мин до выпуска в металл присаживают (0,4–1,0) кг алюминия на 1 т стали, расход алюминия в этих пределах возрастает при снижении содержания углерода в выплавляемой стали. Выпуск стали из печи в ковш производят совместно со шлаком. Интенсивное перемешивание металла со шлаком в ковше обеспечивает дополнительное рафинирование – из металла в белый шлак переходят сера и неметаллические включения. По ходу плавки в экспресс-лаборатории контролируют изменение состава металла и шлака, измеряют температуру металла термопарами погружения.

Иногда восстановительный период проводят не под белым, а под карбидным шлаком, который отличается от белого наличием карбида кальция (СаС₂) и более высокой основностью. При этом наведенный в начале восстановительного периода шлак раскисляют повышенным количеством кокса (2–3) кг/т, после чего печь герметизируют. При таких условиях в зоне электрических дуг идет реакция:

СаО + 3С = СаС₂ + СО.

Образующийся карбид кальция является энергичным раскислителем, и наличие его в шлаке обеспечивает более полное, чем под белым шлаком, раскисление и десульфурацию. Выдержка под карбидным шлаком, который содержит (1,5–2,5) % СаС₂, составляет (30–40) мин. Карбид кальция хорошо смачивает металл, поэтому при выпуске плавки в ковш под карбидным шлаком, металл загрязняется мелкими частичками шлака. Для предотвращения этого карбидный шлак за (20–30) мин до выпуска переводят в белый. Для этого в печь открывают доступ воздуху, открывая рабочее окно. Кислород воздуха окисляет карбид кальция с образованием СаО и СО, в результате чего карбидный шлак превращается в белый.

Так как сера удаляется в результате ее диффузии к поверхности раздела металл – шлак, то увеличению скорости десульфурации способствуют перемешивание металла и увеличение поверхности контакта металла со шлаком. Практика эксплуатации печей, оборудованных механизмом электромагнитного перемешивания металла, показывает положительное влияние движения металла на скорость удаления серы. Но и при электромагнитном перемешивании распределение серы между металлом и шлаком не достигает равновесия, поэтому значительное количество серы (до 50%) переходит из металла в шлак во время выпуска, когда вследствие эмульгирования в ковше поверхность контакта увеличивается во много раз.

Десульфурации металла во время выпуска плавки способствует глубокое раскисление металла и шлака, формирование к моменту выпуска жидкоподвижного высокоосновного шлака и слив металла вместе со шлаком мощной компактной струей. Учитывая это, шлак перед выпуском разжижают присадками плавикового шпата и раскисляют порошком алюминия, а за (3–5) мин до выпуска в металлическую ванну присаживают алюминий.

После раскисления в стали должно оставаться (0,02–0,05) % растворенного алюминия. Такое количество растворенного алюминия необходимо для нейтрализации кислорода, поступающего из атмосферы во время, выпуска и разливки, и для регулирования величины зерна аустенита, так как присутствие в металле избыточного алюминия делает сталь мелкозернистой.

В зависимости от марки стали и необходимости получения зерна определенного размера для окончательного раскисления вводят от 0,4 до 1,2 кг алюминия на 1 т стали.

После раскисления алюминием (70–90) % всех включений в стали бывает представлено глиноземом, обусловливающим при прокатке образование строчек включений, ухудшающих свойства стали, особенно в поперечном направлении. Поэтому иногда для окончательного раскисления применяют и другие раскислители: ферротитан, силикокальций и др. При раскислении силикокальцием природа включений – продуктов раскисления резко изменяется, преобладающими становятся глобулярные включения, благодаря чему улучшаются свойства стали в поперечном направлении.

Окончательное раскисление алюминием и силикокальцием можно проводить также и в ковше, присаживая их на дно ковша перед сливом металла.

Одной из главных задач восстановительного периода является доводка металла до заданного химического состава. Поэтому в начале этого периода, сразу после образования шлакового покрова, отбирают пробу металла на определение содержания углерода, марганца, хрома и никеля. При диффузионно-осадочном раскислении марганец вводится из расчета получения нижнего предела заданного содержания, имея в виду, что некоторое количество марганца может, восстановиться из небольшого количества шлака, сохранившегося после окислительного периода.

Феррохром вводят в печь в начале восстановительного периода, при выплавке высокохромистых марок стали феррохром перед присадкой необходимо подогреть в нагревательной печи до красного цвета. Это увеличит производительность электропечи, уменьшит расход электроэнергии, и будет способствовать повышению стойкости футеровки. Для корректировки содержания хрома, после некоторой выдержки, отбирают две следующие пробы металла, что позволяет проверить правильность взвешивания шихты и уточнить количество необходимых присадок. Корректировку по хрому следует проводить с учетом содержания углерода, проверяемого в каждой пробе. В цехе, как правило, имеется феррохром разных марок – от безуглеродистого до содержащего 8% С. Использование более дешевого углеродистого феррохрома выгоднее, поэтому при возможности корректировку следует проводить углеродистым феррохромом. Одновременно с рассмотренной выше корректировкой подбором соответствующей марки феррохрома корректируют и содержание углерода. Корректировку содержания хрома в конце восстановительного периода разрешается проводить не позднее, чем за 10 мин до выпуска не более на 0,2 % на низколегированных марках стали, и не более на 0,8 % на высоколегированных. Усвоение хрома составляет (96–98) %.

Никель обладает значительно меньшим сродством к кислороду, чем железо, и поэтому в ванне практически не окисляется. Основную часть никеля, определяемую из расчета получения его на нижнем пределе заданного содержания, дают в завалку. Корректировку по содержанию никеля необходимо проводить как можно раньше, желательно в окислительный период. Вызвано это тем, что электролитический, никель содержит водород, а гранулированный – влагу. Удалить вносимые никелем газы можно только в процессе кипения ванны, поэтому предварительную корректировку необходимо выполнять в окислительный период, а окончательную – не позже чем за 10 мин до выпуска и не более чем на 0,2 %. При выплавке высококачественной стали и предварительную и окончательную корректировку желательно проводить только более чистым электролитическим никелем. Усвоение никеля при выплавке составляет (98–100) %.

Практически в ванне печей не окисляется и молибден, поэтому на плавках с окислением ферромолибден дают согласно нижнему пределу в период кипения. На плавках стали с высоким содержанием молибдена его можно давать в завалку. Взамен ферромолибдена иногда используется порошок молибдата кальция (СаМоО₄), который также можно давать в завалку или присаживать в начале окислительного периода. Из молибдата кальция молибден практически полностью восстанавливается углеродом и другими элементами.

Молибден – дорогой металл, поэтому выплавлять молибденсодержащие стали следует так, чтобы содержание молибдена было ближе к нижнему пределу.

Легирование вольфрамом также следует проводить в начале восстановительного периода, а при высоком содержании вольфрама в стали, его лучше давать в завалку. Вследствие тугоплавкости ферровольфрама (температура плавления более 2000 °С) его растворение продолжается довольно долго, поэтому окончательную корректировку необходимо заканчивать не позднее 30 мин до выпуска плавки при введении более 0,20 % ферровольфрама и не позднее 20 мин при меньших количествах.

Тяжелые металлы – ферромолибден и ферровольфрам оседают на подину и для их лучшего усвоения металл необходимо часто и тщательно перемешивать. Усвоение вольфрама составляет около 90 %.

Ванадий легко окисляется, поэтому феррованадий присаживают в восстановительный период в хорошо раскисленный металл не позднее, чем за 15 мин до выпуска при введении 0,5 % феррованадия и не позднее, чем за 30 мин при более значительных присадках.

Очень легко окисляется титан. Ферротитан присаживают в хорошо нагретый и хорошо раскисленный металл за (10–15) мин до выпуска. При выплавке нержавеющей стали с титаном, перед присадкой ферротитана шлак обновляют, раскисляют порошком алюминия и принимают меры для устранения подсоса в печь атмосферного воздуха. Легирование металлическим титаном или ферротитаном, содержащим 60 % титана можно проводить в ковше. Усвоение титана составляет около 50 %.

Длительность восстановительного периода определяется временем, необходимым для образования раскислительного шлака, раскисления шлака и металла, десульфурации и легирования металла. Эта длительность составляет (70–120) мин. Для увеличения производительности печей эти процессы целесообразно интенсифицировать в печи или осуществлять раскисление, обессеривание и легирование вне печи.

В частности, получить низкое содержание серы в металле (0,004–0,008) % можно при продувке металла в конце окислительного периода газом с порошками-десульфураторами. Уменьшить в несколько раз содержание серы можно также во время выпуска плавки в ковш со специальным синтетическим шлаком. Раскисление и легирование металла может быть проведено в ковше во время слива плавки с последующей продувкой металла нейтральным газом или в специальных установках, например, в установках порционного вакуумирования. На установках внепечного вакуумирования может быть осуществлено науглероживание металла порошкообразными карбюризаторами и обезуглероживание с помощью окисляющих добавок и без них, раскисление и легирование, рафинирование от газов и неметаллических включений.

Объединение этих звеньев новой технологии в единую технологическую схему позволяет превратить дуговую электропечь в агрегат по расплавлению твердой шихты и получению полупродукта, обеспечить максимальную производительность электропечей, высокие экономические показатели и создать оптимальные условия для поточного производства продукции высокого качества.