Приведены доказательства необходимости устранения попадания конечного шлака в ковш.Рассмотрены основные способы регулирования массы попадающего в ковш шлака (в качестве примера предложены случаи из мировой практики).
6.1. Необходимость устранения попадания конечного шлака в ковш
Возможность повторного окисления стали в разливочном ковше печным шлаком ранее подвергалась сомнению. В ряде опубликованных работ повышение общего содержания кислорода в пробах металла, отобранных из ковша после выпуска стали, связывалось лишь с воздействием воздушной атмосферы и размыванием футеровки ковша [49, 88]. Однако позднее, когда в ходе освоения продувки стали инертным газом с целью ее усреднения по температуре и химическому составу неоднократно отмечались факты повышения угара легирующих элементов и увеличения содержания оксидных включений при интенсивном перемешивании металла во время его выпуска в разливочный ковш, потребовалась дополнительная проверка указанного утверждения. В этой связи показательны результаты, полученные авторами работы [73], исследовавшими эффективность технологии продувки инертным газом мартеновской и конвертерной стали, во время выпуска которой в ковш попадал окислительный шлак. Было установлено, что перемешивание стали в ковше интенсифицирует процессы обмена между шлаком и металлом, в результате чего переход кислорода из шлаковой фазы в металлическую начинает протекать значительно быстрее, чем удаление газов из стали и вынос включений в шлак с пузырьками аргона. Поэтому на практике, согласно требованиям действующих технологических инструкций, подачу рафинирующих газов при появлении печного шлака в ковше немедленно прекращают, что ограничивает длительность обработки и, следовательно, снижает ее эффективность. Данное обстоятельство побудило исследователей начать работы по всестороннему изучению процесса вторичного окисления металла печным шлаком в ковше.
Сотрудники кафедры стали МИСиС, проводившие исследование процесса вторичного окисления при выпуске металла в ковш из мартеновской печи, экспериментальным путем с помощью кислородно-концентрационного элемента непрерывного действия, предварительно размещенного в футеровке ковша на расстоянии 0,5 м от днища, установили факт заметного повышения активности кислорода (с 0,001% до 6,003%) в стали 20Х в момент начала схода в ковш первых порций печного шлака.
Аналогичные результаты были получены Ю. И. Шишкиным и В. И. Быковым при исследовании развития процесса вторичного окисления во время выпуска стали из 300-тонного конвертера. В качестве основного параметра, характеризующего протекание изучаемого процесса, использовался угар марганца, который заметно увеличивался в случае выпуска металла в ковш со шлаком [53]. Причем с ростом активности кислорода в стали на выпуске повышалась доля марганца, окислившегося под действием оксидов железа шлака; в то же время угар раскислителей под воздействием кислорода атмосферы практически оставался неизменным
Интенсивность перехода кислорода из шлаковой фазы в металлическую в разливочном ковше связана с окисленностью конечного шлака, а также с гидродинамическими условиями выпуска стали из плавильного агрегата. Как показали результаты визуальных наблюдений за массообменными процессами, протекающими при имитации продувки стали в разливочном ковше, проводившейся с использованием в качестве моделирующих сред воды и керосина, при интенсивном перемешивании жидкой ванны потоки воды не только разрушают слой керосина на мелкие части, а и захватывают его, унося вглубь. На картине распределения фаз в модели ковша (рис. 36) наблюдается достаточно развитая поверхность контакта моделируемых жидкого металла и печного шлака. Причем длительность контакта двух жидких фаз при их совместном движении существенно увеличивается, что также является одной из причин повышения скорости перехода кислорода из шлака в металл в реальных условиях протекания исследуемого процесса.
6.2. Основные способы регулирования массы попадающего в ковш шлака
Результатами целого ряда работ подтверждена прямая зависимость интенсивности процесса насыщения металла кислородом в разливочном ковше от количества попавшего в него недостаточно раскисленного печного шлака. Наиболее действенным средством, позволяющим устранить негативное влияние данного фактора, является контроль и регулирование массы шлака, находящегося на поверхности жидкой стали.
Активно влиять на количество технологического шлака в сталеразливоч-ном ковше можно одним из следующих способов: загущением шлака в плавильном агрегате, скачиванием шлака из ковша, отсечкой шлака во время выпуска металла в ковш
Загущение шлака способствует затруднению его вытекания из агрегата в разливочный ковш. В качестве загустителя чаще всего используют доломит, при вводе которого вязкость шлакового расплава повышается резко настолько, что он не может двигаться по сталевыпускному каналу. Способ довольно простой, однако при его применении существенная часть шлака все же попадает в разливочный ковш.
Скачивание шлака с поверхности жидкого металла в ковше осуществляют пневматическим или механическим методами. При пневматическом скачивании (рис. 37, а) ковш с жидкой сталью наклоняют на небольшой угол и через установленную в его днище пористую пробку вдувают инертный газ, который сгоняет с поверхности стали печной шлак в рядом стоящую чашу.
Механическое скачивание шлака выполняют при помощи специальных установок. Установка скребкового типа (рис. 37, б) включает передвижную платформу с размещенным на ней манипулятором, рабочим органом которого является скребок. Применение такой установки требует выполнения операций, связанных с наклоном разливочного ковша, что следует отнести к ее недостаткам. При использовании для скачивания шлака двухчелюстной машины (рис. 37, в) наклон ковша с металлом не требуется, поскольку удаление шлака происходит путем смыкания челюстей, образующих емкость, которую вместе со шлаком поднимают и транспортируют к месту расположения шлаковой чаши.
Несмотря на то что упомянутые конструкции машин позволяют удалить из ковша значительную часть шлака (до 85%), за время его схода из плавильного агрегата определенное количество кислорода все же успевает перейти в жидкую сталь. Поэтому предпочтительным способом следует, по-видимому, считать отсечку шлака.
Для обеспечения отсечки окисленных шлаков в последние годы предложено большое число устройств, отличающихся конструктивно по принципу действия в зависимости от типа сталеплавильного агрегата, применительно к которому они разрабатывались. Так, для предупреждения вытекания жидкого шлака вместе со сталью из конвертера при его повалке наиболее приемлемым считается применение специальных пробок и шаров, изготавливаемых из огнеупорного материала, плотность которого меньше плотности жидкого металла, но больше плотности шлакового расплава. Благодаря правильно подобранной плотности огнеупорный элемент плавает на границе между шлаком и металлом и в момент начала вытекания шлака из сталевы-пускного отверстия перекрывает его, предотвращая тем самым попадание основного количества конечного шлака в разливочный ковш
Бесшлаковый выпуск стали из электродуговых печей стал возможным за счет применения специально разработанных конструкций шиберных затворов, устанавливаемых либо на сливных носках печей, либо на их днище.
Фирма "Метакон АГ" (Швейцария) совместно с ведущими немецкими фирмами "Крупп Шталь АГ" и "Дидиер-Верке АГ" предложила конструкцию затвора кассетного типа, который был смонтирован на сливных носках 200-тонных печей завода фирмы "ЮС Стил" (США) и на 100- тонной печи завода фирмы "Греузот-Лоире" (Франция). Плавка в дуговой печи ведется с закрытым затвором. При сливе металла в разливочный ковш затвор открывают, а печь наклоняют на угол 10-15°. В момент появления первых порций печного шлака на сливном носке затвор закрывают. После отвода от печи заполненного металлом ковша затвор повторно открывают для слива шлака в заранее подготовленную чашу [106].
В Японии на ряде заводов для отсечки шлака при выпуске стали через отверстие в подине электродуговой печи применили скользящие затворы с глинозем-но-углеродистыми огнеупорными элементами. Такое техническое решение позволило упростить конструкцию самой печи, поскольку при этом отпала необходимость в применении механизма ее наклона, а также повысить выход годного металла на 2% за счет устранения отрицательного воздействия на него печного шлака во время наполнения разливочного ковша [110].
Для предотвращения попадания окисленного шлака в разливочный ковш на конечной стадии процесса выпуска стали из мартеновских печей используют конструкцию скиммерного желоба, обеспечивающего снижение скорости истечения металла посредством затопления струи под уровень расплава, что достигается за счет расположения сливного носка выше лещади выпускного отверстия печи. При этом печной шлак задерживается скиммерной перегородкой в приемной части желоба и после ее заполнения стекает по отводному носку в чашу [67]. Последовательность выполнения технологических операций по отсечке шлака с помощью такого желоба показана на рис. 39.
Известна также конструкция желоба, у которого скиммерная перегородка с помощью специальной лебедки, установленной на рабочей площадке печи,может перемещаться в вертикальной плоскости вверх и опускаться под действием силы тяжести [86].
Опыт использования различных технических новшеств, позволяющих удалить из ковша или предварительно отвести в чашу примерно 80 – 90 % печного шлака, свидетельствует о значительном улучшении в таких случаях качественных и технологических показателей выплавки стали. В частности, не только заметно снижается угар марганца, но и сужаются пределы колебания его содержания в ковшовом металле.
Следует отметить, что отсечка шлака предотвращает переход из него в сталь как кислорода, так и других вредных примесей. Например, авторы работы [67] отмечают значительное снижение фосфора в металле последних слитков, выпускавшемся из мартеновской печи с отсечкой шлака. Если при отсечке шлака увеличение содержания фосфора в последних слитках по отношению к ковшовой пробе не превышало 0,001 %, то при попадании технологического шлака в сталеразливочный ковш значение этого показателя достигало 0,015-0,025 %.
[49]. Кенитцер И.,Хаммер Р. Кислород в спокойной и полуспокойной стаи//Черные металлы. – 1963. – №10. – с.3 – 12
[88]. Самарин А.М.Физико – химические основы раскиления стали. – М.:Изд-во АН СССР,1956. – 162с.
[73]. Повышениекачества стали массового назначения путем продувки в ковшенейтральными газами/Я.А.Шнееров,А.Н.Чуйко,Е.М.Огрызкин и др.//Сталь – 1975. – №8. – С.695 – 698.
[53]. Лузгин В.П.,Явойский В.И.Газы в стали и качество металла.-М.:Металлургия,1979 – 256с.
[106]. Carrier B.,Tinnes B. The Metacon-taphole slidegate valk,a reliable and economical equipment for slag-free tapping of electric are furnaces//Fachberichte Huttenpraxis Metallweiterverarbeitung. – 1987 – 25. – №10. – S.931 – 936
[110]. Price Zauren E.Bottoms Up takes on a whole new meaning//33 Metal Prod. – 1987. – 25 – №1. – P.20 – 23
[67]. Отсечка печного шлака при выпуске стали из двухванной печи/Е.И.Арзамасцев,В.П.Яровиков,С.В.Вдовин и др.//Сталь. – 1988. – №3. – С.25 – 28
[86]. Рафинирование металлов синтетическими шлаками/С,Г,Воинов,А.Г.Шалимов.Л.Ф.Косой и др. – М.:Металлургия,1964. – 279с.